Blue Energy: de rivieren en de zee als bronnen van energie Colofon

Blue Energy: de rivieren en de zee als bronnen van energie

Colofon Deze module is ontw ikkeld door: -

Piter Jelles Gy mnasium, Dhr. H. Zijlstra, te Leeuw arden

-

RSG Trompmeester, Mw . E.H.M. Eijkholt, te Steenw ijk

-

Wetsus, Dhr. J.W. Post, Dhr. J. Veer man, Mw . C. van Oers, Dhr. J.G. van Dalfsen, te Leeuw arden

1

Inhoudsopgave Colofon............................................................................................................................... 1 Inhoudsopgave ................................................................................................................. 2 Voorwoord ......................................................................................................................... 3 1 Inleiding...................................................................................................................... 4 1.1 Wat je aan het eind weet................................................................................. 4 1.2 Hoe werk je deze module door? .................................................................... 5 1.3 Hoe wordt je beoordeeld?............................................................................... 6 2 Startopdracht: wat is jouw voetafdruk?................................................................. 7 3 De zee als zonnepaneel?........................................................................................ 8 3.1 Klimaatproblematiek en duurzame energie.................................................. 8 3.2 De hydrologische kringloop en Blue Energy..............................................14 3.3 De locatie van een centrale van Blue Energy............................................15 3.4 Reflectievragen en opdrachten ....................................................................17 4 Wat is Blue Energy eigenlijk?...............................................................................22 4.1 Enthalpie..........................................................................................................22 4.2 Entropie............................................................................................................23 4.3 Toepassing van de twee hoofdregels .........................................................26 4.4 Reflectievragen en opdrachten ....................................................................30 5 Hoe zetten we Blue Energy om in elektriciteit?.................................................36 5.1 Meerdere productietechnieken mogelijk.....................................................36 5.2 Directe elektriciteitsproductie met RED ......................................................39 5.3 Redoxreacties.................................................................................................41 5.4 Reflectievragen en opdrachten ....................................................................46 6 Hoeveel vermogen kunnen we maken? .............................................................51 6.1 Elektrisch circuit..............................................................................................51 6.2 Elektrische geleidbaarheid van materialen ................................................54 6.3 Interne weerstand van RED..........................................................................56 6.4 Reflectievragen en opdrachten ....................................................................58 7 Onderzoek, ontwikkeling en ontwerp is teamwerk............................................60 7.1 Specialisatie 1: de planoloog........................................................................62 7.2 Specialisatie 2: de onderzoeker...................................................................65 7.3 Specialisatie 3: de ingenieur.........................................................................67 8 Eindopdracht...........................................................................................................70 9 Bronvermelding.......................................................................................................71 10 URL Lijst ..............................................................................................................73 BIJLAGE: Intro e xperiment...........................................................................................74

2

Voorwoord We staan er niet bij stil, maar misschien is de oplossing voor het milieuvriendelijk opw ekken van energie nog dichter bij dan w e denken. We kennen allemaal de traditionele manieren van duurzame energie opw ekken, zoals; getijde-, zon-, en windenergie. Het is niet zo bekend, maar bij het mengen van zoet rivierw ater en zout zeew ater komt enor m veel energie vrij. De technologie die hiervoor gebruikt w ordt is nog in ontw ikkeling, maar in de toekomst krijgen de huishoudens van de Noord-Nederland wellicht hun elektriciteit van een energiecentrale op de Afsluitdijk. Bij de spuisluizen in de Afsluitdijk w aar IJsselw ater in de Waddenzee stroomt, w ordt zonder dat w e er bij stil staan een hoop energie verspilt. Blue Energy – zoals w e deze vorm van energie noemen - op een dergelijke locatie kan een ver mogen hebben van 200 MW. En w at dacht je van alle andere rivier mondingen in Nederland en w ereldw ijd? Blue Energy heeft een gew eldige potentie. Als Blue Energy op grote schaal w ordt ingezet, kan er w ereldw ijd een hoeveelheid energie opgew ekt w orden, die overeen komt met 20% van het huidige verbruik. Elektr iciteit opw ekken uit het mengen van zoet en zout water kan met omgekeerde elektrodialyse. Het zoute en zoete water worden in contact gebracht door ion-selectieve membranen. Het concentratieverschil duw t de ionen uit het zoute w ater door het membraan naar het zoete w ater. Het ontstane ladingstransport kan met elektroden worden omgezet naar elektriciteit. Duurzame elektriciteit nog w el, w ant de zon is wordt gebruikt als bron van energie. En hierbij komen geen broeikasgassen vrij (zoals CO2, NOx en SO x) bovendien zijn de grondstoffen gratis en vrijw el ongelimiteerd In deze module ga je naar de onderliggende pr incipes van Blue Energy kijken. Belangrijke factoren die de energiew inning beïnvloeden, het ontw erp van de installatie, het effect van opschalen en de keuze van de optimale geografische locatie.

3

1 Inleiding 1.1 Wat je aan het eind weet. Voorkennis Wat je tot en met de vierde klas geleerd hebt bij natuurkunde, scheikunde en aardrijkskunde moet voldoende zijn om deze module te begr ijpen. Natuurlijk gaan w e dieper op de stof in dan in de vierde klas en zal je nieuw e onderw erpen/begrippen krijgen die je nog niet eerder hebt gekregen, maar je hebt geen kennis nodig die je in de vijfde klas eerst nog bij een ander vak moet leren. Leerdoelen Na afloop van deze module kun je:


een fysische en scheikundige verklaring geven voor het verschijnsel dat er energie vrijkomt bij het mengen van zoet en zout w ater.




beschrijven hoe en w aar deze energie kan w orden omgezet naar nuttige energie (elektriciteit).




beschrijven w elke partijen bij het ontw ikkelen van Blue Energy met elkaar moeten samenw erken en w at hun onderlinge relatie is.




beargumenteren w aarom samenw erken, goede communicatie en een juiste houding belangrijk zijn om tot een goed resultaat te komen.




je verder verdiepen in het onderw erp vanuit een gekozen vakgebied en hierover een presentatie geven.

Elk vakgebied heeft zijn eigen leerdoelen In deze module komen verschillende – deels overlappende - vakgebieden aan bod. Je zou ze globaal kunnen aanduiden met aardrijkskunde, scheikunde en natuurkunde. Op een van deze vakgebieden kun je, je in de tw eede helft van de module specialiseren. Iedere specialisatie heeft eigen leerdoelen.


Als je, je specialiseert als planoloog (vooral aardrijkskundig) leer je te beschrijven w elke fysisch geografische factoren een rol spelen bij de locatie 4

bepaling van een Blue Energy centrale. En op basis hiervan kun je elke gegeven locatie beoordelen op de geschiktheid voor een Blue Energy centrale. Verder leer je hoe je deze bevindingen kunt presenteren aan je klasgenoten, w aarin je uitlegt w aarom een specifieke locatie geschikt is en hoe Blue Energy kan w orden ingepast in de omgeving.


Als je, je specialiseert als onderzoeker (vooral scheikundig) leer je hoe je een onderzoek kunt opzetten en uitvoeren, w aarbij je verschillende condities onderzoekt van de w atersamenstelling (zoutconcentraties bijvoorbeeld). Verder leer je hoe je resultaten kunt presenteren aan je klasgenoten en uitleggen hoe de resultaten geïnterpreteerd kunnen w orden en welke consequenties dit heeft voor de toepassingsmogelijkheden van Blue Energy.




Als je, je specialiseert als technisch ingenieur (vooral natuurkundig) leer je hoe je een rekenmodel moet opzetten w aarmee het vermogen van het systeem kan w orden berekend. op grond hiervan zoek je naar belangrijke parameters voor het verbeteren van dit vermogen (optimalisatie). Verder leer je hoe je de resultaten kunt presenteren w aarbij je klasgenoten het model kan uitleggen en hoe de resultaten uit dit model gebruikt kunnen w orden voor verder onderzoek en het technische ontw erp.

1.2 Hoe werk je deze module door? Deze module bestaat uit tw ee delen: Een Algemeen Deel (Hoofdstuk 2 t/m 5) en een Verdiepingsdeel (hoofdstuk 6). Je w erkt eerst met de hele klas het Algemene Deel door. Als het Algemene Deel afgerond is w ordt de klas in groepjes verdeeld. Deze verdeling mag je zelf – in overleg met je docent - bepalen. Voor het Verdiepingsdeel w orden drie verschillende specialisaties aangeboden w aaruit jij kunt gaan kiezen. Omdat er vast meerdere klasgenoten dezelfde interesses hebben, zal elke specialisatie bestaan uit een groepje. Ieder groepje w erkt zijn specialisatie af. Dit houdt in: je voert samen de proeven uit of je maakt samen de opdrachten en je maakt samen een verslag van je specialisatie. Met behulp van Pow erPoint presentaties of posters houden jullie elkaar op de hoogte van je resultaten. Let op: soms kan het voorkomen dat je bepaalde gegevens mist, vraag dan je klasgenoten die daar mee bezig zijn om nadere uitleg.

5

Na afloop van de specialisatie geef je een presentatie aan je klasgenoten over je resultaten en conclusies. Ook ga je, je klasgenoten beoordelen met behulp van een beoordelingsformulier. Om de module af te ronden maak je een eindtoets, die gebaseerd is op het Algemene Deel en op je specialisatie in het Verdiepingsdeel.

1.3 Hoe wordt je beoordeeld? Je zult in deze module op tw ee manieren w orden beoordeeld. De resultaten van je specialisatie zal je moeten presenteren aan je klasgenoten. De manier w aarop je presenteert, de inhoud van je presentatie en manier van argumentatie zullen beoordeeld worden door de docent. Dit cijfer zal uiteindelijk 40% van je eindcijfer bepalen. Aan het einde van de module zal er een algemene toets w orden afgenomen. Hierin wordt je kennis van de gehele module getoetst. Dit cijfer zal ook 60% van je eindcijfer bepalen.

6

2 Startopdracht: wat is jouw voetafdruk? Ieder mens heeft recht op een plekje op deze w ereld. Velen vragen zich af of de w ereld niet overbevolkt is. Dit geldt vooral voor Nederland met bijna 17.000.000 inw oners. De discussie of Nederland overbevolkt is, speelt regelmatig een rol in de Neder landse politiek. De vraag hoeveel ruimte Nederlanders op de w ereld innemen door middel van producten en diensten, die w e overal betrekken, gaan w e liever niet aan. De productie van grondstoffen, energie, recreatieruimte en voedsel nodig voor ons dagelijks leven vindt voor een groot deel plaats buiten ons land. Gelukkig produceren w e in ruil daarvoor ook voedsel dat w e niet alleen zelf opeten, maar ook exporteren. Om uit te zoeken hoeveel ruimte w e nu per persoon innemen is het begrip voetafdruk of footprint geïntroduceerd. 1. Zoek uit w at een footprint is en bereken die van jezelf? ► URL 1: www.voetafdruk.nl 2. Hoeveel ruimte is er gemiddeld voor een bew oner op de aarde? 3. Leef je op grote voet in vergelijking met de meeste mensen op aarde? 4. Hoe groot is je voetafdruk in vergelijking met de gemiddelde Nederlander? 5. In deze opdracht w ord je gevraagd naar het gebruik van groene stroom. Gebruiken jullie groene stroom? 6. De achtergrond van deze vraag is dat groene stroom en ook gas duurzame vormen van energie zijn. Daar mee beperk je het verbruik van fossiele energie. Wat zijn duurzame vor men van energie?

7

3 De zee als zonnepaneel?


In dit hoofdstuk bestudeer je de klimaatproblematiek, de vormen duurzame energie en de betekenis van Blue Energy.




Vervolgens onderzoek je aan w elke eisen een locatie moet voldoen om Blue Energy op te w ekken.

3.1 Klimaatproblematiek en duurzame energie Het broeikaseffect Het mag een w onder heten dat de temperatuur op aarde schommelt tussen de -70° en de 50°C afhankelijk van de plaats op aarde. Gelukkig komen de uitersten maar op enkele plekken voor. Veruit het grootste deel heeft temperaturen w aar de mens redelijk tot prettig in kan leven. De zon bepaalt de temperatuur in grote lijnen. Behalve van de zon komt een heel klein deel van de w armte van de aarde zelf als gevolg van processen in de aarde. De zon heeft w el periodes met meer en minder straling die daar mee de temperatuur op aarde beïnvloeden. Toch is de temperatuur op aarde redelijk stabiel. Wel zijn er in de geologische geschiedenis w armere en koudere periodes. Deze vallen tussen de bovengenoemde uitersten, maar bepalen w el of er een groter of kleiner gebied leefbaar is. Dat de aarde leefbaar is hebben w e aan de dampkring te danken. Zonder zuurstof zijn we snel uitgepraat. Zonder broeikaseffect zou het leven ook heel vervelend zo niet onmogelijk w orden. Waterdamp, CO2, methaan en andere gassen zorgen ervoor dat er een evenw icht tussen instraling van de zon, de w eerkaatsing en de uitstraling van warmte bestaat. ► Voor meer informatie over het broeikaseffect, zie bijvoorbeeld Wikipedia URL 2: www.w ikipedia.nl

8

Figuur 1: Opw arming van de aarde

Het broeikaseffect is uiterst ingew ikkeld met vele terugkoppelingseffecten. Zo neemt de verdamping toe als de temperatuur toeneemt. Daardoor ontstaan er meer w olken en neemt de instraling af. Dit noemen w e een negatief terugkoppelingseffect. Er zijn ook positieve terugkoppelingseffecten: het smelten van de poolkappen vermindert de weerkaatsing w aardoor de temperatuur nog verder toeneemt. Inmiddels is het duidelijk dat velen (onder w ie Al Gore en Leonardo di Caprio) zich zorgen maken over het versterkte broeikaseffect. De toename van broeikasgassen, zoals CO2 en methaan, zorgt ervoor dat de uitstraling van w armte afneemt en daar mee de temperatuur van de dampkring stijgt. De toename van CO2 is het gevolg van het verbranden van oude voorraden zonne-energie uit de geologische geschiedenis opgeslagen in de vorm van steenkool, olie en gas. Tegenstanders van de theorie van het versterkte broeikaseffect w ijzen op de variatie in de instraling van de zon. Deze hoeveelheid varieert zelfs in historische tijden. De voorstanders w ijzen op de samenloop

9

van de stijging van de temperatuur met de opkomst van het gebruik van fossiele brandstoffen. Tegelijkertijd laten w e enorme hoeveelheden zonne-energie ontsnappen. Per seconde ontvangt de aarde 100 biljoen kWh. Anders gezegd: de aarde ontvangt per uur zoveel zonlicht dat w e daarmee ongeveer het huidige energieverbruik van de w ereld van een jaar kunnen dekken. Zonne-energie is een duurzame vor m van energie: w e gebruiken hiervoor geen fossiele voorraden, maar maken direct gebruik van de instraling van de zon en produceren daarbij geen broeikasgassen. Het probleem is: hoe “vangen” we zonne-energie? Dat kan niet alleen met zonnecellen. Nu al gebruiken w e zonneenergie in de vorm van w indenergie en hydro-elektriciteit. Deze module behandelt een derde mogelijkheid w aarmee de zonne-energie kunnen gebruiken: Blue Energy. ►

Maak nu opgave 1 aan het einde van dit hoofdstuk

Duurzame energie in Nederland Voordat w e hier verder op ingaan in paragraaf 3.2, bekijken w e de situatie in Nederland. Op dit moment zijn overheden, onderzoekers en bedrijven bezig met een zoektocht naar duurzame alternatieve energiebronnen. Een van de redenen is het versterkte broeikaseffect als gevolg van verbranding, maar er zijn ook andere redenen. Zoals bekend zijn de fossiele bronnen niet echt onuitputtelijk te noemen en zullen w e binnen enkele decennia over moeten stappen op andere vor men van energie. Dat betekent dat het nu heel belangrijk w ordt (en eigenlijk al is) dat er veel aandacht besteed w ordt aan het verder ontw ikkelen van deze energievormen. Dit houdt dan dus ook (in)direct in dat er veel geld in deze sector omgaat en er dus een dubbel belang is: toekomst en huidige/toekomstige economie. Minstens zo belangr ijk is het feit dat duurzame energie veel minder milieubelasting geeft omdat het zo veel mogelijk CO2-neutraal opgew ekt wordt. Dit geldt ook voor biobrandstoffen zoals bio-ethanol en biodiesel. Momenteel is de energievoorziening in Nederland nog vrijw el geheel afhankelijk van fossiele bronnen en w ordt slechts een klein gedeelte van de energie op een duurzame manier opgew ekt. In 2006 w as 2,6 procent van het totale verbruik uit duurzame binnenlandse bronnen afkomstig, tegen 2,4 procent in 2005 1. Het is nog niet mogelijk om 1

► URL3: www.vrom.nl 10

voor een groot deel over te schakelen op duurzame energie maar door de ontw ikkelingen die op dit gebied ontplooid zijn kan er w el steeds een groter percentage duurzame energie ingezet w orden. Mogelijke vormen van duurzame energie zijn schematisch w eergegeven in Figuur 2. Het betreft:




Aardw armte. Diep in de aardbol lopen temperaturen op tot duizenden graden. Dat is een flinke voorraad energie, maar nog te duur om grootschalig gebruik van te maken. Warmte uit de bodem door zonlicht, gebruiken w e al w el. Een w armtew isselaar in de bodem haalt de w armte op en maakt die beschikbaar voor verw arming 2.




Waterkracht. Ondanks het feit dat Neder land een (zeer) vlak land is, levert waterkracht al lange tijd een bijdrage aan de energie voorziening. Dit varieert van de eeuw en oude w atermolens in Limburg en Tw ente tot de moderne waterkrachtcentrales in de rivieren Rijn en Maas. Het geïnstalleerde opw ekkingsvermogen is zelfs een factor 3,5 keer zo groot als het geïnstalleerde vermogen aan zonne-energie 3. Toch is het niet de verw achting dat w aterkracht in de toekomst een grote rol zal spelen in Nederland. Dat w ater toch een belangrijke bijdrage kan leveren aan onze toekomstige energievoorziening, w ordt wel duidelijk als je paragraaf 3.2 leest.




Zonne-energie. Het gebruik van zonne-energie is op langere termijn ook voor Nederland heel aantrekkelijk. Met de huidige techniek is nog veel ruimte nodig om zonne-energie te oogsten. Tegenw oordig is het vermogen van 1 m2 PV-zonnecel 100 W4. Wanneer in Nederland alle gebouw en van zonnecollectoren w orden voorzien, dan zouden w e daarmee 10 % van de huidige Nederlandse energiebehoefte mee kunnen voorzien 5.

2

► URL4: www.milieucentraal.nl ► URL5: www.microhydropow er.net 4 ► URL6: www.ecn.nl 5 ► URL7: www.olino.org 3

11

Figuur 2: Duurzame energiebronnen voor Nederland




Windenergie. Naast bio-energie, is voor Nederland het gebruik van met name windenergie erg kansrijk. ‘In 2006 stonden in Nederland ruim 1700 w indturbines die per jaar genoeg elektriciteit opw ekken om circa 600.000 huishoudens van stroom te voorzien. Het aandeel duurzame elektriciteit en vooral elektriciteit uit w indenergie moet de komende jaren verder omhoog, vindt de overheid. Alleen zo kan Nederland voldoen aan de doelstelling die het van de Europese Unie kreeg opgelegd. Die doelstelling houdt in dat Nederland in 2010 9 procent van zijn elektriciteitsbehoefte uit duurzame bronnen opw ekt. Voor 2020 streeft het kabinet naar een verhoging van het aandeel duurzame energie tot 20 procent’ 6.




Biom assa/biobrandstof. Er zijn brandstofcellen ontw ikkeld die gevoed w orden met afvalw ater als brandstof waaruit energie gew onnen wordt zodat er nu twee voordelen

6

► URL3: www.vrom.nl 12

ontstaan: energieopw ekking zonder extra CO2 uitstoot en afbraak van afval waardoor de milieuvervuiling bestreden w ordt. De maatschappijen in Nederland moeten binnen 2 jaar 5,75% biobrandstof zoals bioethanol of biodiesel in hun brandstof mengen en zijn nu begonnen met het bijmengen om dit doel te halen binnen de gestelde tijd. Door deze percentages verder te verhogen kan, met een gelijk blijvende kw aliteit van de brandstof, al een veel hoger aandeel gehaald w orden in met duurzame energie in Nederland.




Stortgas. Ook op stortplaatsen ontstaat biogas, het zogenaamde stortgas. In Nederland w ordt dit op tal van plaatsen opgevangen en gebruikt.

►

Maak nu opgaven 2 t/m 4 aan het einde van dit hoofdstuk

13

3.2 De hydrologische kringloop en Blue Energy We stelden de vraag: hoe kunnen w e zonne-energie vangen, behalve dan met zonnecellen? Een van de manieren is door gebruik te maken van de hydrologische kringloop (zie Figuur 3). De hydrologische kringloop draait immers op basis van zonneenergie. De zon verdampt het w ater. De w ind verplaatst de w aterdamp naar de continenten w aar de waterdamp w eer condenseert en als neerslag (regen of sneeuw) terecht komt. De regen of sneeuw komt op kortere of langere ter mijn w eer terug naar de oceanen. Hoe lang dit duurt, is afhankelijk van het feit of de sneeuw in de gletsjers terecht komt of rechtstreeks w eer afvloeit via de rivieren.

Figuur 3: De hydrologische kringloop

14

Hier liggen tenminste tw ee mogelijkheden om zonne-energie te gebruiken:




Hydro-elektriciteit maakt gebruik van het feit dat de neerslag hoger op het continent terecht komt. De zw aartekracht is behulpzaam bij het terugw innen van deze energie. Grote turbines w orden aangedreven door vallend w ater. Het principe w ijkt niet af van de fietsdynamo, maar de hoeveelheid energie is natuurlijk veel groter. Deze hoeveelheid energie is afhankelijk van de hoeveelheid w ater en het hoogteverschil. In verband hier mee spreken w e van hoge- en lagedrukcentrales. Het bijzondere van hogedrukcentrales is dat men het w ater dan kan laten stromen w anneer de behoefte aan elektriciteit het hoogst is. Daar mee ontlast je de piekcentrales die alleen extra elektriciteit produceren als de vraag het hoogst is (meestal overdag w anneer alle bedrijven w erken). Deze pieklastcentrales zijn bovendien het duurst per kWh.




Nadat w e met hydro-elektrische centrales van zonne-energie gebruik hebben gemaakt, is er een tw eede mogelijkheid om zonne-energie terug te w innen. Dit kan door de menging van zoet en zout w ater: Blue Energy. Hoe w e deze energie opw ekken en w aar dat zou kunnen is het onderw erp van deze module. Daarnaast behandelen w e een aantal technische problemen en mogelijke oplossingen van deze problemen.

3.3 De locatie van een centrale van Blue Energy Voor het opw ekken van Blue Energy zijn w e afhankelijk van een plek w aar zoet en zout water bij elkaar komen. Die plekken zijn er genoeg op deze w ereld, en zeker ook in Nederland (Figuur 4). Bij iedere rivier monding vinden w e er een. Toch is de oplossing nu ook w eer niet zo simpel, w ant op al deze plekken ontstaat onmiddellijk brak w ater waardoor de hoeveelheid energie maar beperkt is. We zullen moeten proberen de inlaat van zout en zoet w ater van elkaar te scheiden en ook de afvoer van brak w ater gescheiden van de instroom te houden. Meestal gaat zoet w ater namelijk langzaam in de monding van een rivier via brak w ater in zout water over. Er zijn in Nederland in ieder geval verschillende plaatsen w aar we zoet en zout w ater scherp van elkaar kunnen scheiden en w e hoeven daar alleen maar een afvoer van brak water te maken zonder dat het brakke w ater zich met het zoete of zoute w ater vermengt.

15

De eerste plek die kan w orden onderzocht zijn de spuisluizen in de Afsluitdijk. Regelmatig lozen w e hier bij eb zoet w ater in de Waddenzee. Naast de spuisluizen ligt er bovendien een pier om de scheepvaart tegen ongew enste stroming te beschermen. Toch zullen w e dit brakke w ater in de zee kw ijt moeten. Hoe verder w e dit van de inlaat van zoutw ater doen hoe kleiner het negatieve effect. Gelukkig zorgt de vloed tw ee keer per dag voor verversing van het w ater.

Figuur 4: Mogelijke locaties voor Blue Energy in Nederland ►

Maak nu opgaven 5 t/m 8 aan het einde van dit hoofdstuk

16

3.4 Reflectievragen en opdrachten 1. Het gebruik van fossiele brandstoffen staat onder druk. Naast het broeikaseffect zijn er nog een paar argumenten om te zoeken naar alternatieve energiebronnen. Geef er tw ee. 2. Nederland w il, dat de vormen van duurzame energie op den duur fossiele energie gaan vervangen. In het regeerakkoord van 2007 heeft de Nederlandse regering de ambities voor ons eigen land aangescherpt. Zo w il Nederland in 2020 30 procent minder broeikasgassen uitstoten dan in 1990, moet in 2010 9 procent van het energieverbruik duurzaam zijn opgew ekt en in 2020 moet dat 20 procent zijn (Europa: 10 procent). Om je een beeld te geven hoe de verdeling op dit moment is en hoe w ij aan onze elektriciteit komen, is w eergegeven in Tabel 1 en Tabel 2. a. Leg uit w at het verschil is tussen elektriciteitsverbruik en energieverbruik. b. De doelstelling van het kabinet heeft volgens het regeerakkoord betrekking op het totale energieverbruik 7. Bereken w at de ambitie is voor 2020 in TJ en in GWh (aangenomen dat het energieverbruik gelijk blijft). c. Van de duurzame energiebronnen zon, w ind en w ater zijn vooral geschikt voor directe opw ekking van duurzame elektriciteit. Stel je voor dat alle elektriciteit duurzaam geproduceerd zou w orden (aangenomen dat het energieverbruik gelijk blijft). In hoeverre w ordt dan aan de 20%-doelstelling voldaan? d. Het gemiddelde ver mogen van elektriciteitscentrales kan uitgerekend w orden door het elektriciteitsverbruik (GWh) te delen door 8.760 (uur/jaar). Toch staat er circa 1,5 x meer vermogen opgesteld bij de elektriciteitscentrales, omdat w ij overdag meer gebruiken dan in de nacht. Hoeveel vermogen kunnen de centrales bij elkaar leveren? .

7

Toch vindt hier enorm veel verw arring plaats (kijk maar eens op internet): betreft de doelstelling nu het energieverbruik of het elektr iciteitsverbruik. Dat maakt nogal uit! 17

Tabel 1: Energieverbruik 2006 en Tabel 2: Elektriciteitsproductie

3. Er zijn een hoop vragen te stellen bij de doelstelling van het kabinet. Bijvoorbeeld: Hoe gaat Nederland eruit zien w anneer w e op grote schaal overschakelen op duurzame energie? Moet op de Noordzee een nieuw e infrastructuur worden aangelegd voor grootschalige w indmolenparken? En w at zijn de landschappelijke gevolgen w anneer we overschakelen op biomassa? De vor men van duurzame energie die w e op dit moment gebruiken, nemen veel ruimte in beslag. De ene vor m gebruik je meer m² dan voor de ander. Zoek uit en bereken per vorm van energie, hoeveel Watt je kunt opw ekken met 1 m² . Vul de kolommen A1, A2 en A3 in van Tabel 3 aan de hand van de volgende deelvragen: a. Zonnepanelen: Gemiddeld krijgt iedere m2 in Nederland 1.050 kWh zon per jaar. Met 600 zonne-uren is het piekver mogen per m2 ongeveer 1.050

18

kWh/m2.jaar / 600 uur/jaar = 1.750 Wp/m2. Hiervan kan met de huidige stand van de techniek ongeveer 6% gebruikt w orden8. Bereken nu hoeveel W/m2 kan w orden opgewekt (A1). b. Windmolens: Het directe ruimtegebruik van w indmolens is w elisw aar klein met een voetplaat van 10x10 m. Toch moeten zij behoorlijk ver uit elkaar worden geplaatst, zo’n 400 - 600 m, om te voorkomen dat de ene molen de wind afvangt voor de volgende molen. Een vuistregel is dat een molen met een piekvermogen van 1 MWp ongeveer 25 ha nodig heeft. Bovendien moet ermee gerekend w orden dat het gemiddelde vermogen ongeveer 25% is (het waait niet altijd even hard, soms helemaal niet of soms te hard). Bereken nu hoeveel W/m2 kan w orden opgew ekt (A2). c. Biobrandstof: De biomassa die nu in Nederland gebruikt w ordt is een restproduct. Er is alleen ruimte nodig voor opslag. Zou echter speciaal voor de energievoorziening hout w orden verbouw d, dan kost dat heel erg veel ruimte. Het is ook mogelijk om koolzaad te verbouw en. Per hectare kan ongeveer 4.500 kg koolzaad w orden geoogst per jaar, goed voor 1.500 liter olie. De verbrandingsw aarde (kWh/L olie) kun je opzoeken in Binas. Hoeveel kWh kun je dus per hectare en per m2 opbrengen. Deel dit door 8.760 uur per jaar (100% benutting 9). Bereken nu hoeveel W/m2 kan w orden opgew ekt (A3).

8 9

500 Wh per Wp op jaarbasis, ofwel 500 Wh/Wp.jaar / 8.760 uur/jaar = 6% Immers: je kunt de olie opslaan, i.t.t. w indenergie en zonne-energie. 19

Tabel 3: Oppervlaktegebruik van duurzame energiebronnen

W/m²

Ha. Landgebruik voor 20 %

A1

B1

A2

B2

A3

B3

Zon

Wind

Biobrandstof

Blue Energy

4. en bereken per vorm van duurzame energie, hoeveel hectare land je nodig hebt om de doelstelling van 20% duurzame energie te behalen. We nemen aan dat dit overeenkomt met ca. 10 GW vermogen. Geef ook aan hoeveel dit is van het totale Nederlandse oppervlak. Vul je antw oord en berekeningen in de kolommen B1, B2 en B3 van Tabel 3. Wat is je conclusie?

►

De getallen voor Blue Energy worden pas ingevuld bij de eindopdracht

5. Zoek met behulp van een atlas en de bijgeleverde bronnen geschikte plekken in Nederland. Bronnen: verdeling w ater over de rivieren en afvoer zoet water. 6. Leg uit w elk negatief effect de Westerschelde en de half open Oosterscheldedam op een Blue Energy centrale in Zeeland kan hebben?

20

7. De Nieuw e Waterweg is w at minder gemakkelijk geschikt te maken voor Blue Energy: het zoute w ater dringt als een w ig onder het zoete rivierw ater naar binnen. Waarom is er geen loodrechte afscheiding tussen zoet en zout w ater? 8. Waarom is het Haringvliet in natte periodes heel geschikt voor Blue Energy?

►

Spreken deze opdrachten jou aan? Dan is de specialisatie als planoloog w at voor jou

21

4 Wat is Blue Energy eigenlijk? Misschien geloof je het zo w el, dat je energie kunt w innen uit het mengen van zoet en zout w ater. Maar om eraan te rekenen is het nodig om de begrippen enthalpie en entropie te begrijpen.


In dit hoofdstuk leer je w at de hoofdregels van de thermodynamica zijn.




En je ontdekt zelf hoe deze gerelateerd zijn aan Blue Energy en w at de potentie van Blue Energy is.

4.1 Enthalpie Bij reacties maken w e onderscheid tussen exotherme reacties (reacties waarbij energie vrijkomt) en endotherme reacties (reacties waarbij energie nodig is om de reactie te laten verlopen). Deze energie kunnen w e meten met behulp van een Joulemeter en de soortelijke w armte. Een reactie kan plaatsvinden bij constante druk of bij constant volume. Voor de meeste reacties maakt dit geen verschil, maar in sommige gevallen toch w el. Bijvoorbeeld bij reacties w aarbij één of meer gassen ontstaan. De reactieproduct(en) hebben een groter volume dan de uitgangsstoffen. Om dit grotere volume te kunnen innemen hebben de reactieproduct(en) arbeid moeten verrichten (lucht moeten w egdrukken). Deze arbeid (gemeten bij constante druk) zorgt ervoor dat er minder w armte vrijkomt (bij een exotherme reactie) of meer w armte nodig is (bij een endother me reactie). Daarom w ordt de reactiew armte gedefinieerd als de verandering in enthalpie, ∆H. ∆H is de reactiew armte gemeten bij constante druk. In formulevorm: ∆H = ∆E + p∆V Waarbij de p∆V term in de vergelijking klein is ten opzichte van de ∆E term. ►

Maak de opgaven 9 en 10 aan het einde van dit hoofdstuk 22

4.2 Entropie Maar w aarom verloopt een reactie nu eigenlijk? Waarom verloopt de ene reactie w el en de andere reactie niet? Heeft dit te maken met het energie-effect? Exother me reacties verlopen spontaan, mits de temperatuur voldoende is om de reactie te starten. De enige hindernis bij een exother me reactie is de activeringsenergie (de energie die toegevoerd moet w orden om de reactie op gang te brengen (het aansteken)). Een eerste hoofdregel voor het verlopen van een reactie is dan ook: Elk systeem streeft naar lagere energie Hoe zit dit bij endother me reacties? Kunnen deze reacties spontaan optreden? Dit kan inderdaad, bijvoorbeeld het oplossen van ammoniumnitraat in w ater is een endotherm proces dat spontaan verloopt. Bij het oplossen w ordt w armte uit de omgeving opgenomen. De energie neemt toe! In de derde klas heb je bij de molecuultheorie al geleerd dat moleculen bew egen. Een gevolg van deze bew egingen is dat moleculen het liefst overal w illen zijn. Men noemt dit een streven naar zoveel mogelijk bew egingsmogelijkheden en plaatsmogelijkheden. Meestal komt dat neer op het innemen van een zo groot mogelijk volume. Tw ee voorbeelden:


Als water verdampt is, bew egen de w atermoleculen zich in een veel groter volume: het aantal mogelijkheden van plaats en bew eging is groter gew orden. Zo verspreidt een gas zich over het hele beschikbare volume: het aantal mogelijkheden van plaats en bew eging is dan groter.




Een stof lost op in een vloeistof: weer is het aantal mogelijkheden voor de deeltjes van de stof groter geworden: ze kunnen zich in een groter volume bew egen.

Men gebruikt de ter m entropie om het aantal mogelijkheden aan te geven. Een systeem heeft een grote entropie, heeft veel entropie, als de deeltjes in dat systeem veel mogelijkheden hebben. Als water verdampt neemt dus de entropie toe, ofw el: w aterdamp heeft een hogere entropie dan vloeibaar w ater. Het symbool voor entropie is S.

23

Wanneer bezit een systeem veel entropie? Anders gezegd: w anneer zijn er voor de deeltjes in een systeem veel mogelijkheden? Het duidelijkste en belangrijkste geval is een gas. Immers: de moleculen kunnen zich zeer goed in een groot volume bew egen. Zie hiervoor Figuur 5, w aarin de entropie van zuurstof en die van koper staan weergegeven als functie van de temperatuur.

Figuur 5: De entropie van één mol zuurstof en van één mol koper als functie van de temperatuur (p = p0)

24

Als twee systemen met elkaar vergeleken w orden om te w eten welke de hoogste entropie heeft moeten er gelet w orden op de volgende factoren:




Het volume: -

een mol gas heeft een veel grotere entropie dan een mol vaste stof of vloeistof;

-

tw ee mol gas heeft bij dezelfde temperatuur en druk een tw ee maal zo groot volume als 1 mol gas en dus een tw ee maal zo grote entropie;

-

lossen w e een vaste stof op in een oplosmiddel, dan neemt de entropie van die stof toe.




De bewegingsmogelijkheid van de deeltjes: -

Gassen hebben een veel grotere entropie dan vloeistoffen of vaste stoffen, de entropie van vloeistoffen is iets groter dan van vaste stoffen.

Dit zijn de belangrijkste factoren. Het aantal deeltjes blijkt ook belangrijk te zijn, immers hoe meer deeltjes, des te groter is het aantal mogelijkheden. Entropie w ordt daarom per mol aangegeven. Bij het vergelijken van tw ee systemen is echter meestal alleen het aantal mol gas van belang, aangezien de entropie van vaste stoffen en vloeistoffen relatief klein is 10. Een tweede hoofdregel voor het verlopen van reacties is dan ook: Elk systeem streeft naar een hogere entropie Uit het oogpunt van het streven naar maximale entropie is het uit zichzelf mengen of oplossen van stoffen logisch, men noemt dit diffusie. Op den duur w orden de concentraties overal gelijk: er is dan een homogene oplossing ontstaan. ►

10

Maak nu de opgaven 11, 12 en 13 aan het einde van dit hoofdstuk

►

Absolute entropieën w orden in het Binas w eergegeven in tabel 63.

25

4.3 Toepassing van de twee hoofdregels Er zijn nu tw ee algemene regels voor het verlopen van een reactie opgesteld: I

Elk systeem streeft naar lagere energie

II

Elk systeem streeft naar hogere entropie

Als deze regels worden gecombineerd, dan zijn er drie mogelijkheden (zie ook Figuur 6).




Beide regels gelden bij een proces;




Géén van beide regels w orden bij een proces gevolgd;




Slechts één van beide regels gelden bij een proces.

Dit kan ook gekw antific eerd w orden. Voor het streven naar lagere energie is de reactieenthalpie ∆H een maat. Voor het streven naar hogere entropie kan T∆S als maat genomen w orden, dus: de entropieverandering maal de absolute temperatuur. De entropie van een systeem is op zich temperatuurafhankelijk en de gekozen maat blijkt praktisch gezien goed te w erken. De formule w ordt dus, voor een spontaan verlopend systeem bij constante temperatuur en druk: ∆H – T∆S < 0

26

Figuur 6: Het principiële verschil tussen energie en entropie. In drie achtereenvolgende processen is de totale energie constant, terw ijl de totale entropie toeneemt. Andere processen kunnen niet optreden.

27

Mogelijkheid 1 Bij deze mogelijkheid geldt dat bij een proces of reactie zowel de energie afneemt als de entropie toeneemt. Niets staat het vanzelf verlopen van dit soort processen in de w eg; alleen de activeringsenergie is een hindernis die, eenmaal overw onnen, geen hindernis meer is. Voorbeelden van processen waarvoor dit geldt zijn: verschillende verbrandingen, explosies. Kw antitatief: ∆H – T∆S is altijd negatief, aangezien ∆H negatief is en ∆S positief. Deze processen of reacties verlopen spontaan. Alleen de activeringsenergie kan een hindernis zijn. Mogelijkheid 2 Deze mogelijkheid is dat bij een proces de energie toeneemt en de entropie afneemt. Er is geen enkele reden voor het proces om vanzelf te verlopen. Voorbeelden van dergelijke reacties zijn: omgekeerde verbrandingen. Koolstofdioxide en w ater reageren niet spontaan tot benzine; en evenmin reageren koolstofdioxide, w ater en stikstof vanzelf tot een springstof. Echter: er w orden wel explosieven geproduceerd en ook benzine w ordt gevormd. Het is namelijk mogelijk aan een systeem zoveel energie toe te voeren dat het streven naar grotere entropie van het systeem w ordt overwonnen en dat dus de entropie van het systeem, gedw ongen, afneemt. In de natuur gebeurt dat in het groot onder invloed van de zonne-energie. Het belangrijkste voorbeeld is de bekende fotosynthese. Kw antitatief: ∆H – T∆S is altijd positief. Een dergelijk proces kan nooit vanzelf optreden. Wèl kan zo’n proces gedw ongen w orden te verlopen door voldoende energie, via een ander proces verkregen, toe te voeren. Mogelijkheid 3 Slechts één van beide regels gelden bij een proces. Dus: óf de energie neemt af, maar de entropie neemt ook af, óf de entropie neemt toe, maar de energie neemt ook toe. Een voorbeeld: A mmoniakgas w ordt gemaakt uit de elementen. Het is een exother me reactie. (de activeringsenergie is hoog en daarom is een katalysator erg nuttig) N2(g) + 3 H2(g)
2 NH3(g)

∆H is negatief, ∆S is negatief

28

Aan de reactievergelijking is te zien dat de entropie afneemt (het aantal mol gas neemt af), dus ∆S is negatief. Voor de ontleding van ammoniak in de elementen geldt precies het omgekeerde: 2 NH3(g)
N2(g) + 3 H2(g)

∆H is positief, ∆S is positief

Beide reacties kunnen gelijktijdig plaatsvinden: N2(g) + 3 H2(g)  2 NH3(g) De drijfveer achter de reactie naar rechts is de energieverlaging. De drijfveer achter de reactie naar links is de entropievergroting. Het is niet verw onderlijk dat hier een evenw ichtstoestand kan ontstaan: de evenw ichtstoestand is een compromis tussen deze tw ee drijfveren. Als het evenwicht zich heeft ingesteld gaan beide reacties even snel zodat de concentraties constant blijven (een dynamisch evenw icht). Als een evenw ic ht bereikt is geldt kw antitatief: ∆H – T∆S = 0, ofw el ∆H = T∆S. De evenw ichtstoestand verschaft ons de mogelijkheid om entropieveranderingen te meten. ►

Maak nu de opgaven 14 t/m 17 aan het einde van dit hoofdstuk

►

Ontdek zelf hoe het zit met Blue Energy in de opdrachten 18 t/m 21

29

4.4 Reflectievragen en opdrachten 9. Bereken: a De volumeverandering bij de verbranding van 1 mol stearinezuur. Stel het molaire volume van gassen op 25 L (= 0,025 m3). b

De hier mee gepaard gaande arbeid p∆V. Stel p = 105 N·m-2.

c

Het procentuele verschil tussen ∆U en ∆H voor de verbranding van kaarsvet? (∆H = - 11 362 kJ·mol -1).

10. Eén van de functies van voedsel is het leveren van energie. Voor koolhydraten, vetten en eiw itten zijn de calorische w aarden 4,1 resp. 9,2 en 5,3 kcal per gram. a

Reken deze w aarden om in kJ per gram.

b

De verbrandingsw armte van ethanol (alcohol) is 1367 kJ per mol. Reken deze w aarde om in kJ per gram. Kun je alcohol energierijk noemen?

11. Hoe groot is de entropietoename (∆S) als w e 12 g zuurstof verw armen van 80 K tot 180 K (p = p0)? 12. We verw armen 1 mol O2 en 1 mol H2O van 220 K tot 400 K (p = p0). De entropietoename van H2 O blijkt veel groter te zijn dan die van O2. Geef hiervoor een verklaring. 13. De verandering in entropie w ordt aangegeven met ∆S. Als bij een proces de entropie toeneemt is ∆S positief en neemt de entropie af dan is ∆S negatief. Beredeneer of de entropie verandert en hoe deze verandert bij de volgende reacties en processen: a

→ CaO(s) + CO2(g)

CaCO3(s) 2+

2-

b

Ba (aq) + SO4 (aq) → BaSO4(s)

c

H2O( l)

→ H2 O(g)

d

N2(g) + 3 H2(g)

→ 2 NH3(g)

14. Indien w e een oplossing van zilvernitraat mengen met een oplossing van ijzer(II)sulfaat, zal zich het volgende evenw icht instellen:

30

Ag+(aq) + Fe2+(aq)  Ag(s) + Fe3+(aq) Beredeneer op grond van entropie overw egingen, of hierbij het enthalpie-effect voor de reactie naar rechts positief of negatief zal zijn. 15. Als de temperatuur maar hoog genoeg w ordt, vallen alle moleculen uiteen in atomen. Dit proces heet dissociatie. Voor de dissociatie van Cl2-moleculen in de gasfase bedraagt de enthalpieverandering 243 kJ·mol-1. De entropieverandering voor dit proces bedraagt 109 J·K-1·mol-1. a

Is dissociatie van chloor bij 25 °C een spontaan proces? Licht toe met een berekening.

b

Bereken de minimale temperatuur die vereist is om de dissociatie van chloor te laten verlopen.

16. Groene planten kunnen met behulp van zonlicht glucose maken uit koolstofdioxide en w ater. Dit proces heet fotosynthese. 6 CO2(g) + 6 H2O(l) → C6 H12O6(s) + 6 O2(g) a

Bereken de reactie-enthalpie van dit proces.

b

Bereken de entropieverandering tijdens het fotosyntheseproces, als gegeven is dat de absolute entropie van glucose 212 J·K -1·mol -1 bedraagt. Overige gegevens in tabel 63 van het Binas.

c

Bereken de w aarde van ∆H – T∆S voor de vorming van één mol glucose bij 25 °C en 1 bar.

d

De bij c berekende w aarde is negatief. Verklaar w aardoor het fotosyntheseproces toch kan optreden.

17. In de onderstaande reactievergelijking w ordt ethyn omgezet in benzeen: 3 C2 H2(g) → C6H6(g) Ga door berekening na of dit proces bij 25 °C en 1 bar kan verlopen.

►

Ontdek zelf hoe het zit met Blue Energy in de opdrachten 18 t/m 21

31

18. Zout en zoet w ater mengen spontaan tot ‘brak’ w ater. Menging van een liter zoet water met een liter zout w ater laat geen verandering van temperatuur van enige betekenis zien. a

Wat betekent dit voor de mengenthalpie ∆H?

b

Volgens w elke regel(s) mengen zoet en zout w ater dus?

19. Bij een rivier monding zien w e dus nauwelijks temperatuurseffecten. We bekijken w at er dan w el gebeurt bij een rivier monding. We volgen 1 liter rivierw ater bij het uitstromen in de zee. We nemen aan dat het rivierw ater nauw elijks zout bevat en dat in zee vooral keukenzout is opgelost. We nemen aan dat de zoutconcentratie van de zee niet verandert door de uitstroming van de r ivier (lokale effecten verwaarlozen we). Verder verwaarlozen we temperatuurverschillen en dichtheidsverschillen van rivierw ater en zeewater. a

Hoeveel mol w ater bevat de liter rivierw ater?

b

Wat is de beginconcentratie NaCl en w at is de eindconcentratie NaCl van de liter rivierw ater (mol/L)? Neem hiervoor een goede aanname van de zoutconcentratie van het zeew ater.

c

Lees uit de grafiek (Figuur 7) af hoe groot de entropieverandering is (J/mol.K). Bepaal hoe groot de verandering van de –T∆S van de liter rivierw ater is (t = 15 o

C). Hoeveel energie is er verloren gegaan bij het uitstromen van de liter

rivierw ater (kJ)? d

In Nederland stroomt gemiddeld 3.3 miljoen liter zoet w ater per seconde uit in zee. Hoeveel ver mogen gaat er verloren (MJ/s = MW)?

32

.

Mengentropie (J/mol.K)

0.25

0.2

0.15

0.1

0.05

0

0

0.2

0.4 0.6 NaCl concentratie (mol/l)

0.8

Figuur 7: Entropieverandering NaCl oplossing (bij menging met oneindige hoeveelheid geconcentreerde NaCl-oplossing) 20. Het feit dat er energie verloren gaat bij het spontaan mengen van rivierw ater en zeew ater, betekent dus dat uit het mengproces nuttige arbeid kan w orden verricht. Denk maar eens aan een w aterval, w aar ook veel energie verloren gaat die nuttig gebruikt had kunnen w orden in een w aterkrachtcentrale. Het verval tussen Lobith en Hoek van Holland is amper tien meter over een lengte van minder dan tw eehonderd kilometer. Die tien meter verval komen overeen met een w aterdruk van 1 bar. De situatie bij ons is niet te vergelijken met de verschillen die in alpenlanden gebruikt worden voor waterkracht. a

Hoeveel energie gaat er verloren als een liter 250 meter naar beneden valt, zoals in een grote w aterval (kJ)?

b

Vergelijk dit eens met het antw oord dat je hebt gegeven bij vraag 19c. Net als bij waterkrachtcentrales, w aar gebruik w ordt gemaakt van het drukhoogteverschil van het w ater bovenstrooms en het w ater benedenstrooms, w ordt bij het mengen van zoet en zout w ater gesproken over een drukverschil: het osmotische drukverschil. Hoe groot is het osmotische drukverschil van rivierw ater en zeew ater?

c

Vul Tabel 4 verder in.

33

Tabel 4: Vergelijking w aterkracht en Blue Energy Energie uit hydrologische

MJ/m3

Potentie voor Nederland ( MW)

kringloop a. Waterkracht b. Blue Energy

21. Voordat w e gaan kijken hoe w e dan elektriciteit kunnen maken uit het mengen van zoet en zout w ater, voeren w e de berekening van opdracht 19 nog w at preciezer uit. In opdracht 19 hebben w e namelijk verondersteld dat 1 liter rivierw ater mengt met oneindig veel liters zeew ater. Dat is natuurlijk niet haalbaar in een echte Blue Energy centrale. In de centrale mengen w e bijvoorbeeld 1 liter zeew ater en 1 liter rivierw ater. Afgeleid kan w orden dat de arbeid W ( in Joule) die het proces kan leveren bedraagt:

 C   C  W = 2RT Cz ⋅ Vz . 2,3 ⋅ log z  + Cr ⋅ Vr . 2,3 ⋅ log r    Cm   Cm    Hierbij is R de gasconstante (8,31 J/mol/K), T de temperatuur (K), V z en V r de volumes van het zeew ater en het rivierwater (liter), Cz en Cr de concentraties van het zeew ater en het rivierwater (mol/l) en Cm de concentratie van het gemengde w ater. De factor 2 komt van het feit dat NaCl in tw ee ionen gedissocieerd is. a

Stel w e mengen in de centrale 1 liter zeew ater en 1 liter rivierw ater. Wat wordt de concentratie van het gemengde w ater, Cm?

b

Hoeveel arbeid kan geleverd w orden? Vergelijk je antw oord met opdracht 19c.

c

Vul de Tabel 5 in (bereken steeds eerst Cm) en bepaal w elke verhouding het beste is voor een Blue Energy centrale:

34

Tabel 5: Mengenergie bij verschillende mengverhoudingen Vr ( m3)

Vz (m3)

1

∞

1

2

1

1

2

1

∞

1

W (MJ/m3

W (MJ/m3

rivierw ater)

mengw ater)

Opmerking

zie ook 19c

zie ook 21b Neem voor ∞ een groot getal

∞ = oneindig

►

Spreken deze opdrachten jou aan? Dan is de specialisatie als onderzoeker w at voor jou

35

5 Hoe zetten we Blue Energy om in elektriciteit?


Dit hoofdstuk laat je zien met w elke technieken je zoutgradiënten kunt gebruiken om energie te w innen.




Daarnaast leer je w elke techniek er achter Blue Energy schuil gaat en w at je ervoor nodig hebt om energie op te kunnen w ekken uit het mengen van zoet en zout w ater.




Je leert hier ook over redoxreacties, redoxpotentialen en membraanpotentialen.

5.1 Meerdere productietechnieken mogelijk Er zijn in principe een aantal manieren om de zoutgradiënt te gebruiken voor energiew inning. We bespreken er vier:




Katchalsky-m achine. Een techniek die ooit is bedacht door de Israëlische biofysicus Katchalsky (1914-1972). Hij constateerde dat sommige vezels krimpen als ze in zout w ater gelegd w orden en w eer rekken in zoet w ater. In principe is dat voldoende om een machine te bedrijven en er zijn w erkende modellen gemaakt. Een riem van collageen draait over tw ee pulley’s. De schijven zijn ook met een ketting verbonden via tandw ielen met verschillende diameter. Het collageen w ordt bevochtigd door zout w ater dat het materiaal doet krimpen en door zoet w ater dat het w eer doet rekken.

36




Vapor Pressure Difference Utilization (VPDU) Maakt gebruik van verschillen in dampdruk. In principe maakt het gebruik van een vat met tw ee compartimenten, gescheiden door een koperen plaat. Als gevolg van dampdrukverschillen boven het zoete w ater en het zoute w ater zal een dampstroom ontstaan in de richting van het zoute w ater. In deze dampstroom zet een turbine de kinetische energie van de watermoleculen om in elektrische energie. Het verdampende w ater koelt af en via de w armtew isselaar w eer op temperaratuur gebracht door de condensatie w armte aan de zeew aterkant. De koperen plaat kan door de membraantechnoloog gezien w orden als een w armtemembraan.




Pressure Retarded Osmosis (PRO) Maakt gebruik van het os mose-effect. De membranen zijn afgeleid van de gew one reverse osmosis (RO)-membranen. Het water, dat door osmose getransporteerd w ordt, drijft een turbine aan. Die w aterstraal moet een zekere kracht hebben en ook voldoende breed zijn. Het vermogen is het product van debiet en druk en is maximaal bij een druk, gelijk aan de helft van de berekende os motische druk. Vandaar het w oord ‘retarded’ in de naamgeving. Met name in Noorw egen is een kleine groep van het energiebedrijf Statkraft bezig deze techniek te onderzoeken.

37




Reverse Electrodialysis (RED) Alle bovengenoemde technieken gebruiken mechanische methoden om elektrische energie op te w ekken. Het kan ook zonder door gebruik te maken van Reverse Electrodialysis (RED). Het voordeel is dat de installatie geen bew egende onderdelen heeft voor de directe productie. Wel zijn er pompen nodig voor de aanvoer van zoet en zout water en voor de elektrodespoeling. Op deze techniek zullen w e daarom verder ingaan.

38

5.2 Directe elektriciteitsproductie met RED ►

Doe nu klassikaal het intro-experiment, zie Bijlage

Een RED installatie heeft tw ee type membranen, die beide geen w ater doorlaten: een anionw isselend membraan (anion exchange membrane, AEM) en een kationw isselend w isselend membraan (cation exchange membrane, CEM). De installatie bevat afw isselend CEM’s en A EM’s, zie Figuur 8. De ruimtes daartussen, de compartimenten, w orden afw is selend doorspoeld met zeew ater en met rivierw ater. Natriumionen in het zeew ater kunnen alleen diffunderen door het CEM en bew egen in de tekening naar links en veroorzaken een positieve stroom naar links. De chlorideionen passerende de AEM-membranen en vor men zo een negatieve ionenstroom naar rechts, die opgevat kan w orden als een positieve stroom naar links. Om praktisch nut te hebben, moet de ionenstroom nog omgezet w orden in een elektronenstroom. Dit gebeurt aan de elektroden, door middel van redoxreacties.

Figuur 8: Reverse Electro Dialysis (RED) ofw el omgekeerde electrodialyse Je hebt nu w aarschijnlijk een aantal begrippen gelezen die je w aarschijnlijk niets zeggen. We leggen daarom membranen en redoxreacties verder uit.

39

Mem branen Waar zijn de membranen, die de zout/zoet compartimenten scheiden, van gemaakt? De membranen die w ij gebruiken zijn ionenw isselende membranen. Ze bestaan uit tw ee delen:




Een skelet van een of andere koolstofverbinding. Dat kunnen allerlei verschillende stoffen zijn, bijvoorbeeld polystyreen of PVC. Maar ook polyetheen kan. Dat is het goedkoopste plastic. Vuilniszakken w orden er van gemaakt.




Een ionenwisselende groep. CEM: Voor de kationw isselende membranen is dit doorgaans ~SO3 H. Het teken ~ is de binding van de sulfonzuurgroep met het vaste skelet. Deze groep is een sterk zuur. In onze membranen is het aanw ezig als een natriumzout: ~SO3Na. Zouten zijn geheel gesplitst in ionen, ~SO3 Na à ~SO3- + Na+ . Het membraan bevat dus gefixeerde (vaste) negatieve ladingen en losse positieve natriumionen. Daarom is het membraan alleen doorlaatbaar voor positieve deeltjes: Stop je er van een kant een Na+ ion in, dan neemt dat de plaats in van een ander Na+ ion. Dat andere Na+ ion hopt over naar een volgende plaats, enz. enz. enz. Helemaal een de andere kant verlaat een Na+ ion dan het membraan. Het membraan laat alleen positieve Na+ ionen door. Cl- ionen kunnen het membraan niet binnendringen vanw ege de afstoting van min en min. AEM: Verder zijn er nog de anionw isselende membranen. Hier is de actieve groep ~NH2 die is dus chemisch gebonden ammoniak. Bij onze membranen is het in de zoutvorm: ~NH3 Cl à ~NH3 + Cl- . Het membraan laat alleen negatieve Cl - ionen door. Na+ ionen kunnen het membraan niet binnendringen vanw ege de afstoting van plus en plus. In plaats van ~NH3 Cl w ordt ook vaak ~NR3 Cl gebruikt. Hierbij betekent de R een methylgroep. De formule kan je dus voluit schrijven als ~N( CH3) 3 Cl.

40

5.3 Redoxreacties Bij reacties is soms een elektrische stroom betrokken. Een voorbeeld hiervan zijn de ontledingsreacties door middel van gelijkstroom (elektrolyse), zoals dit in de derde klas is besproken. Bijvoorbeeld de elektrolyse van een koperchloride-oplossing. De spanningsbron pompt bij dit proces voortdurend elektronen (bij de negatieve elektrode) in de oplossing. Aan deze elektrode ontstaat koper. Aan de andere elektrode w orden voortdurend elektronen aan de oplossing onttrokken, hierbij ontstaat chloorgas. Op deze wijze vormt zich een gesloten stroomkring, w aarbij de koperchloride-oplossing stroom geleidt en onder invloed daarvan ontleed in koper en chloor. Het hierboven genoemde elektrolyseproces is een voorbeeld van een redox-reactie. Redox-reacties zijn processen w aarbij elektronenoverdracht plaatsvindt. ►

Dit w ordt toegelicht met een dem onstratieproef: de elektrochemische cel

Als voorbeeld van een elektrochemische cel (een batterij) w ordt de Daniell cel genomen. Dit is één van de oudst bekende cellen, genoemd naar de Engelse natuurkundige J.F. Daniëll (1790-1845). Deze cel w ordt als volgt gebouw d (Figuur 9):


Halfcel I bestaat uit een bekerglaasje met daarin een 1,0 M CuSO4-oplossing. Hierin staat een koperstaaf.




Halfcel II w ordt op dezelf de manier opgebouw d als halfcel I, maar nu met een 1,0 M ZnSO4-oplossing.




De koperstaaf en de zinkstaaf w orden, via snoertjes, verbonden met de voltmeter.




Beide halfcellen w orden verbonden met een zoutbrug.

Figuur 9: Daniell cel

41

►

Maak nu vraag 22 aan het eind van dit hoofdstuk

Er gaat een stroom lopen, er w ordt een spanning gemeten. Hoe kan deze verklaard worden? In beide halfcellen zitten deeltjes die bij elkaar horen, namelijk een metaal en de ionsoort van dat metaal. Ze kunnen in elkaar overgaan: Cu2+ + 2 e-  Cu Zn2+ + 2 e-  Zn Zink is een onedel metaal en koper is een halfedel metaal, dat w il zeggen dat zink veel sneller reageert met zuurstof en water dan koper. In dit geval is het ook zo dat zink in oplossing zal gaan, Zn maakt dus elektronen vrij. In halfcel II treedt dus de volgende halfreactie op: →

Zn

Zn2+ + 2 e-

Deze elektronen moeten ook ergens blijven, er moet dus een deeltje zijn dat die elektronen w eer opneemt en dat is Cu2+. De volgende halfreactie treedt op in halfcel I: Cu2+ + 2 e-

→

Cu

Gevolg hiervan is dat de koperstaaf steeds dikker w ordt en de zinkstaaf in oplossing gaat. De reactie stopt als Cu2+ óf de Zn staaf op is. ►

Maak nu de opgaven 23 en 24 aan het eind van dit hoofdstuk

Wat is nu de positieve en de negatieve pool? Uit de aansluitingen op de voltmeter blijkt dat de koperstaaf een hogere potentiaal heeft dan de zinkstaaf. De koperstaaf is dus de + pool en de zinkstaaf de – pool. Dit kan echter ook afgeleid w orden uit de optredende reacties:


De elektronen w orden vrijgemaakt bij zink en reageren w eer bij Cu2+. De zinkstaaf zal negatief geladen zijn (vanw ege de vrijkomende elektronen) en zal dus de negatieve elektrode zijn.




De koperstaaf is dan dus de positieve elektrode, aangezien Cu2+-ionen elektronen opnemen heerst er aan de koperstaaf continu een elektronentekort. Dit elektronentekort moet w eer aangevuld w orden door de vrijgekomen elektronen bij de

42

negatieve elektrode, elektronen stromen van – naar + en in dit geval dus van de zinkstaaf naar de koperstaaf via de snoertjes en de voltmeter. Wat doet de zoutbrug? De zoutbrug zorgt ervoor dat er een gesloten stroomkr ing is. Zonder zoutbrug slaat de voltmeter dan ook niet uit. De zoutbrug bestaat uit een gel gemaakt met een verzadigde zoutoplossing. De zoutbrug bevat dus veel vrije ionen. De zoutbrug vult de ladingtekorten in de halfcellen aan:


Zo w ordt in halfcel I Cu2+ omgezet in Cu. De oplossing in halfcel I w ordt dus steeds negatiever. Dit w ordt door de zoutbrug aangevuld. Er stromen dus positieve ionen uit de zoutbrug in de oplossing van halfcel I.




Dezelfde redenering kan gevolgd w orden voor halfcel II. In deze halfcel komt er steeds meer Zn2+ ionen ( immers de zinkstaaf reageert tot Zn2+), de oplossing w ordt dus steeds positiever. Ook dit w ordt tegengegaan door een ionenstroom uit de zoutbrug. In halfcell II w orden negatieve ionen vanuit de zoutbrug in de oplossing gebracht.

Schematisch ziet het ladingstransport in de Daniell cel er als volgt uit, zie Figuur 10.

Figuur 10: Elektronen- en ionenstroom in een Daniell-cel (links) en een elektrolyse cel (rechts) 43

Dit proces is een voorbeeld van een redoxproces, aangezien hier een reductor (een deeltje dat elektronen afstaat) reageert met een oxidator (een deeltje dan elektronen opneemt). Het proces kun je als volgt met een reactie w eergeven: Ox:

Cu2+ + 2 e-

→ Cu

│1x

Red:

Zn

→ Zn2+ + 2 e-

│1x

Cu2+(aq) + Zn(s)

→

Cu(s) + Zn2+(aq)

In tabel 48 van het Binas boekje staan redoxkoppels met hun oxidatorsterkte weergegeven11. De deeltjes zijn gerangschikt op afnemende oxidatorsterkte, dat w il zeggen dat linksboven de sterkste oxidatoren staan en dat naar beneden toe in de tabel de oxidatorsterkte afneemt. Rechtsonder staan de sterkste reductoren en naar boven toe in de tabel neemt de reductorsterkte steeds verder af. Een redoxreactie verloopt spontaan w anneer de oxidator boven de reductor staat, staan oxidator en reductor bij elkaar in de buurt, dan zal er een evenw ichtsreactie optreden en staat de oxidator ruim onder de reductor treedt er geen reactie meer op. ►

Maak nu de opgaven 25 en 26 aan het eind van dit hoofdstuk

Hoeveel spanning kan een dergelijke cel (batterij) leveren? De formule om dit te bepalen is als volgt: Vbron = Vox - Vred De potentialen voor de halfreacties staat in Binas tabel 48 w eergegeven. Deze gelden voor standaardomstandigheden (alle concentraties 1,00 M en 298 K en p = p0). Dit is bij de hier beschreven Daniell cel het geval. Deze batterij kan dus 1,10 V leveren: Vbron = VCu2+ - V Zn = 0,34 – (-0,76) = 1,10 V

11

►

Tabel 48 van het Binas: redoxkoppels 44

►

Maak nu de opgaven 27 en 28 aan het eind van dit hoofdstuk

Als de concentraties afw ijken van de standaardomstandigheden, zullen ook de potentialen van de halfreacties afw ijken van de in het Binas gegeven w aarden. Deze nieuw e potentialen zijn uit te rekenen. Voor een halfcel geldt namelijk de vergelijking van Nernst (zie hiervoor ook Binas tabel 37D):

V = V0 +

RT [ox ] 0,059 [ox] ln = V0 + log nF [ red] n [ red]

Hierbij zijn: V0:

elektrodepotentiaal bij standaardomstandigheden (Binas tabel 48)

R:

gasconstante (8,314 Jmol-1 K-1, zie Binas tabel 7)

T:

temperatuur in K

n:

aantal mol elektronen dat w ordt overgedragen

F:

constante van Faraday (9,6485·104 Cmol -1, zie Binas tabel 7)

[ox] en [red]: de concentraties van de deeltjes in de halfreactie die in beschouw ing genomen w ordt. NB: de concentratie van een vaste stof bestaat niet, hiervoor moet een 1 gelezen w orden, net als bij evenw ichten. Bijvoorbeeld ingevuld voor de Daniell cel, bij concentraties voor de CuSO4-oplossing van 0,10 M en voor de ZnSO4-oplossing van 0,50 M. Halfcel I: V = 0,34 +

0,059 0,10 log = 0,31 V 2 1

Halfcel II: V = -0,76 +

0,059 0,50 log = -0,77 V 2 1

Vbron = V0x – V red = 0,31 – (-0,77) = 1,08 V ►

Maak nu de opgaven 29 en 30 aan het eind van dit hoofdstuk

►

Ontdek zelf hoe het zit met Blue Energy in de opdrachten 31 t/m 34

45

5.4 Reflectievragen en opdrachten 22. a

Bepaal met behulp van de voltmeter de ( +) en de (-) pool

b

Wat is nu de richting van de elektronenstroom door de snoertjes?

c

Bedenk een reactievergelijking voor het proces dat optreedt aan de koperelektrode.

d

Bedenk ook een reactievergelijking voor het proces dat optreedt aan de zinkelektrode.

e

Na verloop van enige dagen komt aan de stroomlevering door de Daniellcel een einde. Bedenk hiervoor tw ee mogelijke oorzaken.

23. Beredeneer of onderstaande deeltjes elektronen kunnen opnemen of elektronen kunnen afstaan. Welke deeltjes kunnen beide functies hebben? H+, Al, Mg2+, K, O2, Fe2+, I2, Br 2 en Cl-. 24. Ga na of bij de volgende processen elektronenoverdracht plaatsvindt. Stel voor elk van de reacties een kloppende reactievergelijking op en geef aan hoe de elektronenoverdracht verloopt. a

kalium + jood → kaliumjodide

b

nikkel + broom → nikkelbromide

c

zilver + zw avel → zilversulfide

25. Stel via halfreacties de reactievergelijkingen op voor de volgende reacties: a

koper met zuurstof

b

aluminium met jood

c

chloor met aluminiumjodide-oplossing

d

nikkel met kobalt( II)chloride-oplossing

e

calcium met w ater

26. Ga na of de volgende reacties verlopen volgens tabel 48. Indien de reacties verlopen geef dan met behulp van halfreacties de reactievergelijking: a

ijzer(III)chloride-oplossing met een kaliumjodide-oplossing

b

een natriumthiosulfaat(Na2S2 O3)-oplossing met een broomoplossing

c

een ijzer(III)nitraat-oplossing met een zoutzuur-oplossing

46

27. Bereken de Vbron van de volgende cellen en geef aan w elk deeltje als de (-) elektrode fungeert. a

zink-tin cel

b

aluminium-zilver cel

c

koper-zilver cel

28. Van een standaard mangaan-loodcel bedraagt de bronspanning 0,90 Volt. Bij stroomlevering door deze cel gaat de mangaanstaaf in oplossing. a

Geef de vergelijkingen van beide halfreacties die optreden tijdens de stroomlevering.

b

Beredeneer w elke elektrode (+) en w elke (-) is.

c

Bereken V 0 van het redoxkoppel Mn2+/Mn.

a

Bereken de bronspanning van een elektr ische cel bestaande uit tw éé

29. koperelektroden, w aarbij [Cu2+(aq)] aan de ene kant 1 M is en aan de andere kant 10 -4 M is. b

Welke elektrode is (+) en w elke is (-)

c

Hoe gaat de elektronenstroom als de cel gesloten w ordt?

a

Bereken hoe groot de bronspanning is van een elektrochemische cel

30. bestaande uit een standaard koperhalfcel en een magnesiumhalfcel, waarbij [Mg2+(aq)] = 0,10 M. b

Leg uit dat je niet kunt zeggen dat bij een kleinere concentratie dan 1,0 molair van een metaaloplossing de bronspanning altijd toeneemt.

►

Ontdek zelf hoe het zit met Blue Energy in de opdrachten 31 t/m 34

47

31. Er zijn vier manieren besproken om concentratieverschillen om te zetten in nuttige vormen van energie: a. In w elke richting zal het systeem van Katchalsky draaien: rechtsom of linksom? b. Waar is bij V PDU de dampdruk hoger, boven het zoete of boven het zoute water? c. Hoe hoog zal bij PRO de tegendruk zijn die op het zoute w ater wordt gezet (betrek hierbij antw oord opdracht 3b uit hoofdstuk 3). d. Schrijf de redoxreactie van RED uit en leg uit dat de elektrodepotentialen bij elkaar opgeteld nul zijn (bij gelijke concentraties van Fe2+ en Fe3+. 32. Uit antw oord 31d blijkt w el dat de w erking van RED niet gebaseerd is op alleen een spanningsverschil zoals in een Daniell cel (Vbron is immers 0 V). Toch is er w el sprake van een spanningsverschil aan de elektroden, anders zou er nooit een stroom kunnen lopen. We gaan nu bekijken w aar dat spanningsverschil vandaan komt en hoe groot die is. a. We bekijken een kationw isselend membraan (CEM) . Aan de ene kant van het membraan staat zeew ater, aan de andere kant zoet w ater, zie Figuur 11. Er is – zo hebben w ij vastgesteld in het vorige hoofdstuk – een ‘drijvende kracht’ om te mengen. Hoe kan de menging plaatsvinden in deze opstelling? Geef dit met pijlen aan in het volgende plaatje en geef een korte beschrijving.

V

e-

CEM -

Zeewater red

Na +

ClNa -

Na+ Cl-

-

Na+

Cl Na+

-

-

Na+

Cl -

-

+

Cl ox

-

Cl-

-

-

-

-

Rivierwater

-

red

Na+

-

ox Cl-

-

Figuur 11: Iontransport door een kationw isselend membraan ( CEM)

48

b. Met de voltmeter in de stroomkring kan een potentiaal gemeten w orden. In dit geval is de gemeten potentiaal gelijk aan de membraanpotentiaal, gegeven door de volgende Nernst-vergelijking:

RT [ Na+ ] z [Na + ] z V bron = ln = 0,059 log nF [ Na+ ] r [Na + ] r Bereken de membraanpotentiaal voor zeew ater van 30 g/L NaCl en rivierw ater van 1 g/L NaCl. c. Maak zelf een soortgelijk plaatje, nu voor een anionw isselend membraan. Geef met pijlen aan hoe menging kan plaatsvinden, let op de redoxreacties en hoe de elektronenstroom loopt. Bepaal en bereken de Nernst-potentiaal voor het anionw isselende membraan. Is deze ook positief? d. Wat gebeurt er met de potentiaal van het anionw isselende membraan als zeew ater en rivierwater worden omgew isseld? 33. Door het om en om stapelen van anionw is selende membranen en kationw isselende tussen w is selende laagjes van zeew ater en rivierw ater ontstaat een opeenstapeling van spanningsbronnen met dezelfde bronspanning. Deze kun je dus bij elkaar optellen. Aan de elektrode meten w e dan de som van alle bronspanningen, het zogenaamde stack voltage. Het stack voltage van de RED is afgebeeld in Figuur 8. a. De binnenste membranen (11 stuks) zijn geplaatst tussen zeew ater en rivierw ater. Hoe groot is het voltage van deze membranen bij elkaar opgeteld? b. De tw ee buitenste membranen zijn een beetje een bijzonder geval. Ze zijn geplaatst tussen de elektrodespoelvloeistof en rivierw ater aan de ene kant, en aan de andere kant tussen zeew ater en de elektrodespoelvloeistof. Volgens onderstaande afleiding tellen deze buitenste membranen samen als een enkele:

49

V = Vlinks + Vrechts = 0,059log

[Na+ ]e [Na+ ] z [ Na+ ]z + 0 , 059 log = 0 , 059 log [Na+ ] r [Na+ ]e [Na+ ]r

Hoe groot zal het stack voltage dus zijn van de RED zoals afgebeeld in Figuur 8? c. Hoe groot is het stack voltage van een RED installatie met N opeengestapelde membranen? 34. De elektrodevloeistof w ordt rondgepompt, zie Figuur 8. a. Leg uit w at er gebeurt als het rondpompen niet zou plaatsvinden. Blijft V bron dan nul? b. Waarom bestaat de membraan stapel altijd uit een oneven aantal membranen (N = 1, 3, 5…)? Wat zou er anders gebeuren met de elektrodevloeistof?

►

Spreken deze opdrachten jou aan? Dan is de specialisatie als onderzoeker of als ingenieur w at voor jou

50

6 Hoeveel vermogen kunnen we maken? We hebben in hoofdstuk 4 ontdekt dat bij menging energie vrijkomt. In hoofdstuk 5 hebben w e gezien hoe deze potentiële mengenergie kan w orden omgezet in een elektrische potentiaal in een RED installatie. In dit hoofdstuk gaan w e uitrekenen hoeveel vermogen w e kunnen maken met RED.

6.1 Elektrisch circuit Door veel membranen achter elkaar te schakelen in een stack, kunnen er bruikbare voltages gemaakt w orden (zie opdracht 33). We zagen bijvoorbeeld hoe met een stapel van 13 membranen het stack voltage ongeveer 1 V bedraagt. Dit w as het geval wanneer er geen stroom loopt, immers de w eerstand van de aangesloten voltmeter is heel erg groot. Met N membranen is de spanning van de onbelaste stack (het open circuit voltage, OCV):

OCV = (N − 1) ⋅ Vbron Nu gaan w e kijken w at er gebeurt als we een apparaat, bijvoorbeeld een lampje, aansluiten op de RED stack. Er gaan dan gelijktijdig tw ee stromen lopen:




een inwendig ionentransport van zout naar zoet water: negatief geladen chloridenionen stromen r ichting de anode (-pool) en positief geladen natr iumionen stromen richting de kathode (+pool). Er vindt dus een positieve ladingsstroom plaats van anode naar kathode. Deze ladingsstroom is even groot als (‘equivalent aan’) de elektrische stroom. Tijdens het ladingstransport verliezen de ionen een deel van de energie door wrijving. Deze w rijving kunnen w e ook zien als inwendige w eerstand.




een uitw endige stroom van negatief geladen elektronen van -pool naar +pool, ofwel elektrische stroom. De elektronen stromen door het aangesloten apparaat met een bepaalde w eerstand en staan daarbij elektrische energie af aan het apparaat. Het lampje gaat bijvoorbeeld branden (elektrische energie w ordt omgezet in licht en warmte).

51

We kunnen het bovenstaande schematisch samenvatten in de volgende stroomkring, zie Figuur 12. Hierin is de linkerzijde de stack met daar in een spanningsbron en een interne stackw eerstand Ri (i is inw endig). Het apparaat is aangesloten op de polen van de stack en heeft een w eerstand Ru (u is uitwendig). Met de voltmeter bepalen w e het stack voltage (V). We meten de stroom met een ampèremeter (A).

-

Ru

Ri

OCV

V

A + e

Figuur 12: schematisatie van stack en aangesloten apparaat De stroom I (A) – gemeten met de ampèremeter - is:

I=

OCV Ri + Ru

Het stackvoltage U(V) dat gemeten w ordt met de voltmeter is gelijk aan:

U = OCV − I ⋅ Ri = I ⋅ Ru Het geleverde vermogen P (W) is:

2

 OCV   ⋅ Ru P = U ⋅ I = I ⋅ Ru =   Ri + Ru  2

52

Om kleine en grote RED installaties met elkaar te vergelijken, is een belangr ijke maat het specifieke vermogen belangrijk. Dit specifieke vermogen p is niets anders dan het vermogen dat w ordt opgew ekt per m2 membraanoppervlak A (dus in W/m2):

p=

►

P N⋅A

Maak de opgaven 35 t/m 37 aan het einde van dit hoofdstuk

We zien dus dat het geleverde vermogen afhankelijk is van drie variabelen:


het open circuit voltage OCV,




de uitw endige w eerstand Ru,




de inw endige w eerstand Ri .

Als we dus zoveel mogelijk elektrisch vermogen w illen halen, dan zullen w e met deze drie termen moeten ‘spelen’. De eerste ter m hebben w e al onderzocht in hoofdstuk 5. De tw eede term hebben w e bekeken in de opgaven die w e zojuist gemaakt hebben (opgaven 35 t/m 37). Nu gaan w e nog verder in op de inw endige w eerstand.

53

6.2 Elektrische geleidbaarheid van materialen Wat is nu eigenlijk de inw endige w eerstand (Ri)? Om deze vraag te beantw oorden kijken we eerst eens w at een elektrische w eerstand is, zoals w ij die toepassen als uitw endige weerstand (Ru). De elektr ische w eerstand is de elektrische eigenschap van materialen om de doorgang van elektrische stroom te "bemoeilijken"12. Vloeit door een materiaal een elektrische stroom, dan gebeurt dit niet ongehinderd, er is energie voor nodig: de stroom ondervindt "w eerstand". Hoe groot de w eerstand is, hangt af van drie parameters:




De lengte (L, in m): hoe groter de afstand die de elektronen door het mater iaal moeten afleggen, hoe groter de w eerstand is die zij zullen ondervinden op hun w eg. Dus hoe langer het materiaal is, hoe groter de weerstand van dat mater iaal zal zijn. De w eerstand is evenredig met de lengte




De doorsnee (A, in m 2): hoe groter het oppervlak is dat beschikbaar is voor de elektronen, hoe kleiner de w eerstand is die zij ondervinden. De w eerstand is omgekeerd evenredig met het oppervlakte.




De soortelijke weerstand (ρ, in Ω m2/m = Ω m): nemen w e een draad met een bepaalde lengte en doorsnee, dan is de w eerstand die w e meten niet gelijk voor bijvoorbeeld een koperdraad en een ijzerdraad. Ieder materiaal heeft een eigen soortelijke w eerstand. De soortelijke w eerstand van een mater iaal is de w eerstand van een ‘draad’ die vervaardigd is uit dat mater iaal, die 1 m lang is en een doorsnede heeft van 1 m2 bij een bepaalde temperatuur. De soortelijke w eerstanden van metalen en alliages kun je vinden in Binas)

12

URL 2: www.w ikipedia.nl

54

De w eerstand van een geleider is recht evenredig met de soortelijke w eerstand en de draadlengte en omgekeerd evenredig met de draaddoorsnede, volgens de w et van Pouillet:

R=

L⋅ρ A

Rekenvoorbeeld. Stel een verbruiker is via een enkele koperen leiding met een doorsnede van 4 mm2 verbonden over een afstand van 200 m met de bron. Wat is de weerstand van de leiding bij 20°C? Antw oord: Gegeven is L = 200 m, A = 4 mm2 = 4·10-6 m2. De soortelijke w eerstand van koper bij 293 K kunnen w e vinden in Binas: ρ = 17·10-9 Ωm. Als w e deze w aarden (met de goede eenheden) invullen in de w et van Pouillet, dan berekenen w e de w eerstand:

R=

L ⋅ ρ 200 × 17 ⋅ 10−9 3.4 ⋅ 10−6 = = = 0. 9 Ω A 4 ⋅ 10−6 4 ⋅ 10−6

Het omgekeerde van elektr ische w eerstand is elektrische geleidbaarheid (σ) of soortelijke geleidbaarheid of conductiviteit:

σ=

1 ρ

Dat is de eigenschap van een elektrische component om elektrische stroom te geleiden. De w aarde van elektrische geleidbaarheid van een component w ordt uitgedrukt in Siemens per meter (S/m). De eenheid Siemens (S) is het omgekeerde is van de weerstandseenheid ohm (Ω), en w ordt door elektrotechnici daarom ook w el mho genoemd.

►

Maak opgave 38 aan het eind van dit hoofdstuk

55

6.3 Interne weerstand van RED Nu gaan w e kijken naar de interne w eerstand (Ri ). De interne w eerstand "bemoeilijkt" het inw endige ionentransport door de stack. Net als bij de elektrische w eerstand gebeurt het ladingstransport niet ongehinderd, er is energie voor nodig: de ionenstroom ondervindt "w eerstand". Ook hier is de w eerstand afhankelijk van de lengte, de doorsnee of het oppervlakte, en de soortelijke w eerstand of geleidbaarheid van de “materialen”. De interne w eerstand van een RED stack bestaat uit verschillende delen ( met N = 1,3,5…):

Ri =

(N − 1) ⋅ (R 2

CEM

+ Rr + RAEM + Rr ) + RCEM + Relektr ≈

(N − 1) ⋅ (R 2

CEM

+ Rr + RAEM + Rr )

Voor een stack met veel membranen (bijvoorbeeld N>11) bestaat de stackw eerstand uit de (N-1)/2 keer som van de volgende deelw eerstanden:


van de kationw isselende membranen RCEM,




van het laagje rivierw ater tussen de membranen Rr




van de kationw isselende membranen RAEM,




van het laagje zeew ater tussen de membranen Rz .

De w eerstand van de membranen kan w orden opgevraagd bij de fabrikant. De fabrikant geeft dan een zogenaamde oppervlaktew eerstand. Een typische w aarde is 3 Ωcm2 ofwel 3·10-4 Ωm2. Uit de w et van Pouillet begrijpen w e dan dat dit eigenlijk de soortelijke weerstand is maal de lengte, dus ρ ·L. De lengte is in dit geval de dikte van het membraan, w ant de ionen w orden van de ene kant van het membraan naar de andere kant door het membraan getransporteerd. Voor een membraan met een oppervlakte van 1 m2 is de w eerstand dus 3·10-4 Ω. De w eerstand van het rivierw ater en het zeewater kunnen w e ook bepalen met de w et van Pouillet. De geleidbaarheid van rivierw ater en zeewater (van zoutoplossingen) kan gemeten w orden met een geleidbaarheids meter of salinometer. Hoe meer zout er in het water is opgelost hoe beter de geleiding is. Nemen w e zeewater van 30 g/L NaCl en

56

rivierw ater van 1 g/L NaCl (bij een temperatuur van T = 298 K), dan is de geleidbaarheid van het zeew ater ongeveer 50 mS/cm = 5 S/m en van rivierw ater 2 mS/cm = 0,2 S/m. De afstand tussen de membranen is bijvoorbeeld 0,5 mm. Nu kan eenvoudig de w eerstand van ieder laagje zeew ater en rivierw ater worden berekend.

►

Maak opgaven 39 en 40 aan het eind van dit hoofdstuk

57

6.4 Reflectievragen en opdrachten 35. In hoofdstuk 5 hadden w e alleen nog maar een Voltmeter aangesloten, geen apparaat. We noemen deze situatie: open circuit (open stroomkring). We kunnen deze situatie benaderen door net te doen of w e toch een “apparaat” hebben aangesloten, maar dan een met een oneindig grote w eerstand Ru. a. Hoe groot is de stroom die w e meten met de A mpèremeter? b. Hoe groot is het stackvoltage U dat w e meten met de Voltmeter? c. En hoe groot is het ver mogen P? 36. Stel nu dat w e de elektroden verbinden met een stroomdraad, maar w e vergeten een apparaat aan te sluiten. We noemen deze situatie: kortsluiting (kortgesloten stroomkring). We kunnen deze situatie benaderen door net te doen of w e toch een “apparaat” hebben aangesloten, maar dan een met een w eerstand Ru die nul is. a. Hoe groot is de stroom die w e meten met de A mpèremeter? b. Hoe groot is het stackvoltage U dat w e meten met de Voltmeter? c. En hoe groot is het ver mogen P? 37. We hebben nu tw ee extremen gezien: het open circuit en de kortsluiting. In beide gevallen w ordt er geen vermogen gemaakt, en bij kortsluiting gaat zelfs alle elektrische energie verloren. We kunnen beter een echt apparaat aansluiten. We kunnen afleiden dat een apparaat met een Ru die gelijk is aan de inw endige weerstand Ri het beste vermogen geeft. Laten w e dat dan maar doen. a. Hoe groot is de stroom die w e meten met de A mpèremeter? b. Hoe groot is het stackvoltage U dat w e meten met de Voltmeter? c. En hoe groot is het ver mogen P (als functie van Ri )? 38. Maak de volgende vragen om het begrip soortelijke w eerstand en geleidbaarheid onder de knie te kr ijgen ( in alle vragen is de temperatuur T = 293 K): a. Een koperdraad met een doorsnede van 2,5 mm2 heeft een w eerstand van 14 Ω. Bereken de draadlengte.

58

b. Een ijzerdraad met een lengte van 200 m heeft een w eerstand van 7 ohm. Bereken de doorsnede (mm2). c. Een draad met een doorsnede van 2,5 mm2 en lengte 20 m heeft een weerstand van 3.5 Ω. Uit w elk materiaal is die draad mogelijk vervaardigd? d. Wat is de geleidbaarheid (S/m) van platina? 39. Voordat w e het vermogen berekenen van de stack, zoals w eergegeven Figuur 8, berekenen w e eerst de interne w eerstand Ri . We nemen aan dat ieder membraan een oppervlakte heeft van 1 m2. De gegevens van de membranen staan in de tekst. De afstand tussen de membranen is 0,5 mm. a. Hoe groot is de w eerstand van een kationw isselend membraan (RCEM)? b. Hoe groot is de w eerstand van een anionw is selend membraan (RAEM)? c. Hoe groot is de w eerstand van een laagje zeew ater (Rz )? d. Hoe groot is de w eerstand van een laagje rivierw ater (Rr)? e. Welke van bovenstaande deelw eerstanden levert dus de grootste bijdrage aan de totale w eerstand? f. Wat is de totale w eerstand van de stack (Ri)? 40. Het maximale ver mogen van de stack, zoals w eergegeven in Figuur 8, kunnen w e nu berekenen met behulp van de OCV (zie opgave 33c) en de interne w eerstand (zie opgave 39f). Maak gebruik van de vergelijking die je hebt afgeleid in vraag 37c, bovenstaand. a. Hoe groot is het maximaal opgew ekte vermogen P? b. Hoe groot is het specifieke vermogen p? c. Volgens het voorw oord kan op de Afsluitdijk w el een centrale gebouw d worden van 200 MW. Hoeveel km2 membraanoppervlakte heb je tenminste nodig voor een 200 MW centrale? d. In de praktijk kunnen mogelijk 6.000 membranen gestapeld w orden. Hoeveel m2 grondoppervlak is dan nodig voor 200 MW? Vul nu ook de tabel bij opgave 2 in, w at is je conclusie over het ruimtegebruik van een Blue Energy centrale?

►

Spreken deze opdrachten jou aan? Dan is de specialisatie als ingenieur wat voor jou

59

7 Onderzoek, ontwikkeling en ontwerp is teamwerk Je w eet nu wat Blue Energy inhoudt en w elke techniek hierachter zit. Om Blue Energy daadw erkelijk te kunnen toepassen zijn er nog verschillende stappen te ondernemen en onduidelijkheden die overbrugd moeten w orden. Er moet er dus onderzoek gedaan worden om antw oord te krijgen op onderzoeksvragen. Jij gaat je nu verdiepen in een vakgebied w elke jou interesse heeft. Er zijn drie vakgebieden w aarin jij aan de slag kunt gaan samen met enkele klasgenoten. De vakgebieden waar je uit kan kiezen zijn:

•

Planoloog: Een planoloog is w erkzaam op het gebied van de ruimtelijke ordening, ofw el de w etenschap die zich bezighoudt met het optimaal benutten van de (openbare) ruimte, zodat alle gew enste en noodzakelijke functies daarin haar plaats krijgen. Planologen w erken vaak bij overheden (het Rijk, provincies of gemeenten) of bij adviesbureaus. Werkveld: o

www.dhv.nl

o

www.royalhaskoning.nl

o

www.arcadis.nl

o

www.oranjew oud.nl

o

www.movares.nl

o

www.grontmij.nl

Opdracht: Als je voor de specialisatie ‘Planoloog’ kiest ga je, je bezig houden met het zoeken van een optimale locatie voor een Blue Energy centrale. Je houdt hierbij rekening met invloeden vanuit de omgeving zoals, infrastructuur, natuur & milieu en natuurlijk de beschikbaarheid van voldoende zee- en rivierw ater.

60

•

Onderzoeker: Een onderzoeker is een nieuwsgierige persoon die onbekende zaken onderzoekt. Het onderw erp van het onderzoek kan variëren van medisch onderzoek tot technisch onderzoek. Jij als onderzoeker zal meestal te vinden zijn in een laboratorium. De onderzoeker is echter niet alleen in het laboratorium bezig. In het bijhouden van het labjournaal kan ook veel tijd zitten, net als het opzetten van nieuw e onderzoeken. De resultaten van je onderzoek dienen gerapporteerd te w orden, zodat anderen hier kennis van kunnen nemen. Werkveld: o

www.ecn.nl

o

www.senternovem.nl

o

www.tno.nl

o

www.wetsus.nl

Opdracht: Als je voor de specialisatie ‘Onderzoeker’ kiest ga je onderzoek doen naar een aantal aspecten die invloed kunnen hebben op het w innen van energie. Hierbij moet je denken aan verschillende zoutconcentraties en membraanvervuiling. Voor de experimenten die je in dit onderzoek gaat uitvoeren kun je gebruik maken van de Blue Energy Demo.

•

Ingenieur: Een ingenieur is iemand met technische interesse. Hoe w erkt iets, hoe kan een proces verbeterd worden? Een ingenieur is eigenw ijs en denkt dat het altijd beter kan. Noeste arbeid in een w erkplaats of nachtelijke rekenpartijen met eigengemaakte computer modellen leiden niet zelden tot octrooien. Zonder goede ingenieurs geen innovatie. Zij vormen daarom het hart van veel multinationals, maar ook van veel ondernemingen in het mkb-segment. Werkveld: o

www.philips.nl

o

www.nuon.nl

o

www.redstack.nl

Opdracht: Als je voor de specialisatie ‘Ingenieur kiest ga je uitzoeken hoe je RED verder kunt optimaliseren. Hierbij moet je denken aan het verbeteren van het ontw erp of de bedrijfsvoering. Je doet dit vooral door gebruik te maken van computer modellen (dit kan Excel zijn, of een ander rekenprogramma), en eventueel te experimenteren met de Blue Energy Demo.

61

7.1 Specialisatie 1: de planoloog Elke specialisatie bestaat uit tw ee delen. Deel I is het onderzoek w at je uitvoert en de resultaten die hieruit komen zal je in Deel II gaan presenteren aan de andere groepen. Deel I Je hebt een lijst met een aantal onderzoeksvragen gekregen die je moet beantw oorden in de komende per iode. Je beantw oordt de vragen uitgebreid en maakt een kort verslag van de informatie die je hebt gevonden. ► w erkinstructie adviesrapport uit de NLT Toolbox. Maak gebruik van Internet, bibliotheek, atlas en literatuur. Opdracht In dit gedeelte ga je met tw ee tot maximaal zeven leerlingen aan de slag met de volgende vragen: 1.

Zoek met behulp van de atlas uit w aar er mogelijkheden voor Blue Energy zijn. Gebruik daarvoor de Bosatlas: kaarten over de Waterhuishouding. Op kaart waterbeheersing vind je de plaatsen w aar je zoet met zout w ater kunt combineren. Er zijn tenminste 7 mogelijkheden. Daarnaast kun je bronnen raadplegen die via de Unie van Waterschappen kunt vinden.

2.

Welke mogelijkheden biedt elke plek en w elke problemen? Stel eerst deelvragen op! Let op de hoeveelheden zoetw ater en de locatie van de Blue Energy- centrale. Houd je rekening met de omgeving w aarin de centrale komt te staan? Ga na of het streekplan en/of bestemmingsplan moet w orden aangepast.

62

3.

Bereken de maximale productie van een Blue Energy centrale per locatie w aar rivierw ater uitstroomt in de zee. Ga ervan uit dat w e onder ideale omstandigheden energie kunnen opw ekken. Je mag dus uitgaan van een zoutgehalte van 30 g/L voor zeew ater en 1g/L voor rivierw ater. Dit levert x J op per m3/sec.

De debieten per plaats zijn

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

13

13

Locatie: Kornw erderzand buiten Den Oever IJmuiden Maassluis Haringvliet Bathse Spuikanaal Schaar van Ouden Doel

:

Gem iddeld 205 m3/s 295 m3/s 95 m3/s 1335 m3/s 785 m3/s 14 m3/s 127 m3/s

► URL 8: www.waternormalen.nl ► URL 9: www.waterstat.nl 63

Afvoer in m3/s. Hoogste 1353 m3/s 2359 m3/s 245 m3/s 3843 m3/s 6425 m3/s 120 m3/s 719 m3/s

Laagste 0 m3/s 0 m3/s 0 m3/s 0 m3/s 0 m3/s 0 m3/s 18 m3/s

Neem voor je berekeningen de gemiddelde afvoer per seconde van iedere locatie. Wat is de maximale stroomproductie die w e kunnen opw ekken als w e al deze locaties bij elkaar optellen? 4.

In hoeverre kan er een goede scheiding van zoet en zoutw ater enerzijds en brak water anderzijds plaatsvinden?

5.

De elektriciteitsbehoefte vertoont pieken en dalen. Kun je doormiddel van het realiseren van een berging van zoet en/of zoutw ater, de centrale op het gew enste moment elektriciteit laten produceren.

6.

Ga voor iedere plaats na in hoeverre de getijden van invloed zijn op de productie van stroom. Denk ook aan een combinatie van getijdencentrales en Blue Energy bij de berging. 14

7.

Hoe kun je het beste de mogelijkheden per locatie vergelijken?

8.

Probeer na vergelijking van de mogelijkheden samen te besluiten w elke locatie de beste kansen biedt. Geef aan w elke onzekere factoren er nog over blijven.

Deel II Je gaat je resultaten presenteren aan je klasgenoten, de andere specialisten. Doe dit op een overtuigende manier en beargumenteer w aarom jullie denken dat er een Blue Energy centrale juist op die locatie zou moeten komen te staan. ► w erkinstructie presenteren uit de NLT Toolbox

14

► URL 10: www.getij.nl 64

7.2 Specialisatie 2: de onderzoeker Elke specialisatie bestaat uit tw ee delen. Deel I is het onderzoek w at je uitvoert en de resultaten die hieruit komen zal je in Deel II gaan presenteren aan de andere groepen. Deel I Een onderzoeker probeert zo veel mogelijk factoren die van invloed zijn op de energiew inning door middel van Blue Energy te achterhalen en vervolgens te onderzoeken w at de invloed van elk van deze factoren is op het proces. Hiervoor is het van belang eerst te achterhalen w elke de factoren zijn die de energiew inning beïnvloeden. Experim enten In dit gedeelte ga je met tw ee a drie leerlingen aan de slag met zelf experimenteren met de onderzoeksopstelling van het regionale steunpunt (zie bijlage). 1. Om deze factoren te kunnen achterhalen is het van belang eerst het introductieexperiment te herhalen. Zie beschrijving in de bijlage. 2. Na de uitvoering van dit experiment kunnen jullie gaan brainstor men w elke factoren van invloed zullen zijn op de energie w inning. Denk daarbij als eerste aan de variabelen van deze opstelling. Welke componenten zijn te variëren, en welke ga je onderzoeken en w aarom? 3. Ontw erp (een) experiment(en) om deze variabelen te meten. Elke variabele dient in een apart experiment gemeten te w orden, om het mogelijk te maken hieruit conclusies te trekken. Beschrijf zorgvuldig je experiment en maak alvast een lege tabel met w aarnemingen. Bespreek met je docent de gekozen proefopzet(ten) en na goedkeur ing van deze kan het/de experiment(en) uitgevoerd w orden. ► Je docent heeft eventueel voorbeelden van proefopzetten ter beschikking.

65

4. Vervolgens: denk aan w elke factoren in de praktijk invloed op de energiew inning zullen hebben, zoals temperatuurinvloeden en ook samenstelling van zeew ater en rivierw ater (denk hierbij aan de hardheid van het w ater). Ontw erp ook hiervoor een aantal experimenten om invloed van deze factoren op het proces te onderzoeken. Ook hier geldt w eer dat elke variabele in een apart experiment onderzocht moet w orden en dat je het experiment goed moet overdenken en alvast een tabel maakt voor je w aarnemingen vóór je het aan je docent voorlegt. 5. Welke conclusies kunnen jullie nu trekken na het uitvoeren van de experimenten? Zijn er factoren die een duidelijke invloed op de energiew inning zullen hebben? Wat zijn de optimale omstandigheden voor de energiew inning? En w elke factoren zijn niet van belang gebleken?

Deel II Je gaat je resultaten presenteren aan je klasgenoten, de andere specialisten. Leg uit welke factoren en omstandigheden van belang zijn voor de energiew inning. Bij w ijze van conclusie kun je op basis van de verkregen inzichten aangeven w aar je op moet letten bij het beoordelen van locaties of toepassingen van Blue Energy. ► w erkinstructie presenteren uit de NLT Toolbox

66

7.3 Specialisatie 3: de ingenieur Elke specialisatie bestaat uit tw ee delen. Deel I is het onderzoek w at je uitvoert en de resultaten die hieruit komen zal je in Deel II gaan presenteren aan de andere groepen. Deel I De ingenieur probeert het ontw erp zo veel mogelijk te optimaliseren door de cruciale operationele en ontw erpvariabelen van Blue Energy te achterhalen. Dit kan met behulp van proeven, zoals de onderzoeker doet, maar het ontw erp aanpassen gaat natuurlijk niet zo gemakkelijk. Een computersimulatie biedt dan uitkomst. Sim uleren In dit gedeelte ga je met tw ee a drie leerlingen aan de slag met het opzetten van een computer model. 1. Om deze factoren te kunnen achterhalen is het van belang om een computer model te maken op basis van de vergelijkingen uit hoofdstuk 5 en 6, bijvoorbeeld in Excel. Probeer het simpel te houden!




Invoer variabelen: concentraties, temperatuur, aantal membranen, membraanoppervlakte, afstand tussen de membranen, membraanw eerstand, uitw endige w eerstand. (Tip: geef de variabelen een standaardw aarde zoals deze te vinden zijn in hoofdstuk 5 en 6)




Invoer constanten: gasconstante, Faraday constante.




Uitvoer: (open) stackvoltage, stroomsterkte, vermogen, vermogen per m2, interne w eerstand (veronderstel de geleidbaarheid lineair met zoutconcentraties)

Let op de eenheden! 2. Nadat je het model gemaakt en getest hebt, kunnen jullie gaan ‘spelen’ met de variabelen. Verander maar een variabele per keer en houd alle andere variabelen op de standaardw aarde. Onderzoek zo w elke factoren van invloed

67

zijn op de ver mogensopw ekking. Maak hiervan grafieken, met op de x-as de beschouw de variabele en op de y-as de (open) stackvoltage, stroomsterkte, vermogen per m2.




Onderzoek eerst de invloed van de uitw endige w eerstand op stack voltage, stroomsterkte en dus op het vermogen per m2? Klopt het dat het optimale vermogen behaald w ordt bij Ru = Ri ? Zorg ervoor dat voor het vervolg altijd geldt Ru = Ri .




Onderzoek vervolgens de operationele variabelen, dus de variabelen die te maken hebben met het rivierw ater en het zeewater en de uitw endige weerstand of verbruiker. Maak ook nu grafieken. Wat is bijvoorbeeld de invloed van de zoutconcentratie van het rivierw ater op stack voltage, stroomsterkte en dus op het ver mogen per m2 ? Wat gebeurt er bij extreem lage zoutconcentraties? Kun je dit uitleggen?




Onderzoek de ontw erpvariabelen, dus de variabelen die te maken hebben met het procesontw erp (maatvoering etc.). Maak ook nu grafieken. Wat is bijvoorbeeld de invloed van de afstand tussen de membranen op stack voltage, stroomsterkte en dus op het vermogen per m2? Wat gebeurt er bijvoorbeeld als je de afstand terugbrengt van 0,5 mm naar 0,1 mm? Kun je dit uitleggen?

3. Er is een belangr ijke factor nog niet gemodelleerd. Dat is de efficiëntie. De efficiëntie is het opgew ekte elektrische vermogen (= I2·Ru) ten opzichte van het beschikbare vermogen (= I2·Ru + I2·Ri ). De efficiëntie zou 100% zijn als er inw endig geen vermogen verloren zou gaan. Wat w ordt de efficiëntie bij Ru = Ri ? Wat betekent dat voor de hoeveelheid ver mogen die in Nederland daadw erkelijk kan w orden omgezet in elektriciteit? 4. In de voorgaande vraag heb je de elektrische efficiëntie berekend. Een klein deel van de elektriciteit zal nodig zijn voor de Blue Energy centrale zelf. Bedenk met elkaar w aar in het proces energie nodig is.

68

5. Welke conclusies kunnen jullie nu trekken na het uitvoeren van de bovenstaande simulaties? Zijn er factoren die een duidelijke invloed op de energiew inning zullen hebben? Wat zijn de optimale omstandigheden voor de energiew inning? En w elke factoren zijn niet van belang gebleken?

Deel II Je gaat je resultaten presenteren aan je klasgenoten, de andere specialisten. Leg uit welke omstandigheden van belang zijn voor de energiew inning, en w at de belangrijkste factoren zijn voor het ontw erp van een Blue Energy centrale. Bij w ijze van conclusie kun je op basis van de verkregen inzichten w at kentallen geven voor een 200 MW Blue Energy centrale, zoals ruimtegebruik (m2 grondoppervlak), vermogensopbrengst (W/m2) en effic iency. ► w erkinstructie presenteren uit de NLT Toolbox

69

8 Eindopdracht In Tabel 2 is de productie van elektriciteit opgesplitst tussen verschillende energiedragers. We w illen nu w eten w at de productie van elektriciteit van Blue Energy zou kunnen opleveren in W/m2. Daartoe hebben w e de beschikbare hoeveelheden zoet water en het zoutpercentage van de zee nodig. In hoofdstuk 5 zijn w e uitgegaan van zeew ater waarin 30g/L zout zat. In rivierw ater zat slechts 1g/L. Je hebt berekend hoeveel energie dit opleverde. Bediscussieer met je groep, in hoeverre de in door de planoloog berekende maximale productie haalbaar is planologisch en technisch opzicht. Lever je conclusies in bij je docent.

70

9 Bronvermelding •

Literatuur:

Hoofdstuk 3: -

Geo Geordend bovenbouw Nederland

Hoofdstuk 4: -

Chemie Overal 5V

-

Chemie 5/6 VWO CMLS drs. H.I.M. van Dieten e.a. Wolters-Noordhoff, 5e druk, 1982

-

Binas

Hoofdstuk 5: -

Chemie Overal 5V

-

Chemie 5/6 VWO CMLS drs. H.I.M. van Dieten e.a. Wolters-Noordhoff, 5e druk, 1982

-

Binas

•

Figuren:

Voorpagina:

Rijksw aterstaat, Integrale verkenning Afsluitdijk, 2006

Hoofdstuk 2: Illustratie pag. 7 footprint – Microsoft Clipart Hoofdstuk 3: Figuur 1.

www.flickr.com – global w arming

Figuur 2.

www.cbs.nl – gemodificeerd door j. van Dalfsen

Figuur 3.

science.hq.nasa.gov/oceans/system/w ater.html - NASA GSFC Water and Energy Cycle w eb site.

Figuur 4.

Eigendom TTIW Wetsus

71

Hoofdstuk 4: Illustratie pag. 20 Enthalpie - www.ping.be Figuur 5.

(standaardexperiment) Chemie Overal 5V, Dr. J. Reiding e.a., 1993, EPN, blz. 176 fig.7.3

Figuur 6.

- Chemie Overal 5V, Dr. J. Reiding e.a., 1993, EPN, blz 34 fig. 2.1 - Chemie Overal 5V, Dr. J. Reiding e.a., 1993, EPN, blz. 38 fig. 2.5

Hoofdstuk 5: Figuur 7.

Eigendom TTIW Wetsus

Figuur 8.

Eigendom TTIW Wetsus

Figuur 9. www.thuisexperimenteren.nl/science/elektrochemischecel/electrochemcel.htm Figuur 10.

www.iupac.org/didac/Pictures/Didac%2003/R11- Pict.htm

Figuur 11.

Eigendom TTIW Wetsus

Hoofdstuk 6: Figuur 12.

•

Eigendom TTIW Wetsus

Tabellen:

Hoofdstuk 3: -

Tabel 1 & 2: Centraal Bureau voor Statistiek – www.cbs.nl - Elektriciteitsplan - http://statline.cbs.nl/StatWeb/table.asp?PA=00377 - Duurzame Energie 2006 - http://www.cbs.nl/NR/rdonlyres/8F97B47D-4E754F25-98F8-F77EB40792E7/0/2006c89pub.pdf - Milieurekeningen - http://www.cbs.nl/NR/rdonlyres/95A7A8BF-427D-4F6CBC8A-7229E7DBB4C6/0/2006c167pub.pdf - Energiebalans http://statline.cbs.nl/StatWeb/start.asp?KEYWORDS=energiebalans&BOOL=0&L A=NL&DM=SLNL&lp=Search/SResults

-

Tabel 3: Nog aan te vullen!!!!

72

10 URL Lijst ► URL 1: www.voetafdruk.nl ► URL 2: www.w ikipedia.nl ► URL 3: www.vrom.nl ► URL 4: www.milieucentraal.nl ► URL 5: www.microhydropow er.net ► URL 6: www.ecn.nl ► URL 7: www.olino.org ► URL 8: www.waternormalen.nl ► URL 9: www.waterstat.nl ► URL 10: www.getij.nl

73

BIJLAGE: Intro experiment Wij bieden drie alternatieven aan om bij w ijze van introductie aan het begin van hoofdstuk 5 (of meer specifiek paragraaf 5.2) te laten zien dat er stroom gemaakt kan worden uit de zoutgradiënt. Uiteraard kunnen ook combinaties hiervan w orden gebruikt: 1. Filmpje met een demonstratieopstelling; 2. Experimentele opstelling verkrijgbaar bij de regionale steunpunten; 3. Zelfgemaakte opstelling met kleine stukjes dialysemembraan. 1. Filmpjes met demonstratieproef In de NLT Toolbox bevindt zich een promotiefilmpje. In dit filmpje zijn beelden te zien van een demonstratieopstelling en daarnaast ook een visualisatie van een centrale op de Afsluitdijk. Tevens is de demonstratieopstelling in w erking te zien gew eest in diverse uitzendingen van actualiteitenprogramma’s. Deze uitzendingen kunnen via Internet bekeken w orden:




Een Vandaag d.d. 24 mei 2007 ter gelegenheid van 75 jaar Afsluitdijk




Een Vandaag d.d. 13 november 2007 met aankondigingen plannen grootschalige proeven op Afsluitdijk




RTL nieuws d.d. 26 december 2007 met opstellingen in laboratorium Wetsus

► bijgeleverde promotiefilm pje in NLT Toolbox ► 24 mei 2007 / Nederland 1/Een vandaag http://www.eenvandaag.nl/index.php?module=PX_Story&func=view &cid=2&sid=32092& nav=32688,32092,30602,0 ► 13 november 2007 / Nederland 1/Een vandaag http://www.eenvandaag.nl/index.php?module=PX_Story&func=view &cid=2&sid=32688& nav=32688,32092,30602,0 ► 26 decem ber 2007 / RTL/RTL Nieuws http://www.rtl.nl/(/actueel/rtlnieuw s/video/uitzendingen/)/components/actueel/rtlnieuws/sit e_breed/video/2007/videos/videos_2007_52.x ml

74

2. Experimentele opstelling regionale steunpunten Opstelling Bij de regionale steunpunten zijn RED opstellingen verkrijgbaar voor demonstratie in de klas en voor de specialisatie als onderzoeker (en eventueel als ingenieur). Een dergelijke opstelling bestaat uit een membraanstack met 11 membranen (6 CEM en 5 AEM). Schematisch ziet zo’n stack er als volgt uit.

) em (c

) m ) m ce e ( n (a an n aa r r ra a or r b r b a o r o v te vo a te m b e em e em e r wa m m ce r r w od e od c n e d h e a d m t i a a n a sp z e en le sp ri v nd et tk n ng el n i ng se le m e s e i e s e s t i s tm wi ng m aa nw k in g tro m wis ki stro i on pl aa k io l d n t k t s o a in pp Pa n gs Ka Pa ng s ni K E A Ko la la

Rivier uit Zee uit Zee in de uit o t r of e k ist l E oe vl

Rivier in

5x

de in rt o of e k is t E l oe vl

Voorbereidingen


Maak 1 à 2 L zeew ater door 30 g/L keukenzout op te lossen in dr inkw ater. Uiteraard kan ook demiw ater worden gebruikt met ‘zuiver’ NaCl, maar voor de nauw keurigheid van de proef maakt dit niet zoveel uit.




Maak 1 à 2 L rivierw ater door gew oon kraanw ater te gebruiken. Uiteraard kan ook demiw ater worden gebruikt, maar dan moet er w el een snufje zout worden toegevoegd (demiw ater werkt anders als isolator).

75




Maak uit het zeew ater circa 200-500 ml elektrodespoelvloeistof door geel en rood bloedloogzout (kaliumhexacyanoferraat, is bijgevoegd) toe te voegen (ca. 0,05 M van elk) 15.




Zorg ervoor dat de oplossingen door de installatie kunnen stromen met behulp van pompjes (50-500 ml/min), of eventueel met grote injectiespuiten (100 ml) of met zw aartekracht (bakjes of infuuszakken).




Zorg ervoor dat uitstromende zeew ater en riv ierw ater worden opgevangen of afgevoerd.




Elektrodevloeistof w ordt hergebruikt.




Overige benodigdheden: stroomdraadjes met krokodillenklemmen, multimeter en motortje (bijgeleverd).

Uitvoering


Voer oplossingen toe aan de stack.




Meet de spanning die over de elektroden staat.




Sluit elektroden kort en meet de stroom.




Sluit motortje aan op de elektroden.

Afhankelijk van eigen invulling zelf wat proefjes bedenken (bijv. zoutconcentraties variëren), zonder gras voor de voeten weg te maaien voor de specialisatie onderzoekers.

15

Bekijk voor het uitvoeren van het experiment de chemiekaart van geel en rood

bloedloogzout (K4Fe( CN) 6•3H2 O en K3 Fe( CN) 6)

76

3. Zelfgem aakte experimentele opstelling dialysemembraan Opstelling Als alternatief kan zelf een kleine opstelling gemaakt w orden met tw ee halfcellen in een bloedloogzoutoplossing. Beide halfcellen staan via een membraan en het verbindend elektrolyt kaliumhexacyanoferraat met elkaar in contact. Voorbereiding


geel bloedloogzout oplossing (K4 Fe(CN) 6•3H2O; 0,75 M)




2 stukjes dialysemembraan




2 elastiekjes




Zeew ater: bijv. keukenzout-oplossing (25,1 g•L-1)




Kraanw ater




2 glazen buizen




2 koolstofelektroden




Koperdraad




2 krokodillenklemmen




Multimeter




Bekerglas

Uitvoering Maak de oplossing zoals in de figuur aangegeven. Meet de spanning die over de elektroden staat.

77